Da quando i superconduttori cuprati (contenenti rame) furono scoperti per la prima volta nel 1986, hanno molto sconcertato i ricercatori. I superconduttori cuprati hanno temperature superconduttive critiche, il punto in cui la loro resistenza elettrica scende a zero, fino a 138 K a pressione ambiente, che supera di gran lunga le temperature critiche di altri superconduttori ed è persino superiore a quanto ritenuto possibile in base alla teoria.

Ora in un nuovo studio, i ricercatori hanno scoperto l'esistenza di un circuito di feedback positivo che migliora notevolmente la superconduttività dei cuprati e può far luce sulle origini della superconduttività dei cuprati ad alta temperatura, considerata una delle più importanti questioni aperte in fisica.

I ricercatori, Haoxiang Li et al., presso l'Università del Colorado a Boulder e l'École Polytechnique Fédérale de Lausanne, hanno pubblicato un articolo sui risultati sperimentali ARPES (Angle Resolved Photoemission Spectroscopy) sui superconduttori cuprati ad alta temperatura in un recente numero di Comunicazioni sulla natura .

Come spiegano i ricercatori, il meccanismo di feedback positivo deriva dal fatto che gli elettroni nello stato cuprato non superconduttore sono correlati in modo diverso rispetto alla maggior parte degli altri sistemi, anche nei superconduttori convenzionali, che hanno correlazioni elettroniche fortemente coerenti. In contrasto, i cuprati nel loro stato non superconduttore hanno correlazioni "metallo strano" fortemente incoerenti, che vengono almeno in parte rimossi o indeboliti quando i cuprati diventano superconduttori.

A causa di queste correlazioni elettroniche incoerenti, è stato ampiamente creduto che la struttura che descrive la superconduttività convenzionale, che si basa sulla nozione di quasiparticelle, non possa descrivere con precisione la superconduttività cuprata. Infatti, alcune ricerche hanno suggerito che i superconduttori cuprati hanno proprietà elettroniche così insolite che anche il tentativo di descriverli con la nozione di particelle di qualsiasi tipo diventa inutile.

Questo porta alla domanda di, che ruolo, se del caso, le correlazioni strane-metallo giocano nella superconduttività del cuprato ad alta temperatura?

Il risultato principale del nuovo documento è che queste correlazioni non scompaiono semplicemente nello stato superconduttore cuprato, ma invece vengono convertiti in correlazioni coerenti che portano a un miglioramento dell'accoppiamento degli elettroni superconduttori. Questo processo si traduce in un ciclo di feedback positivo, in cui la conversione delle correlazioni incoerenti del metallo strano in uno stato coerente aumenta il numero di coppie di elettroni superconduttori, che a sua volta porta a una maggiore conversione, e così via.

I ricercatori hanno scoperto che, grazie a questo meccanismo di feedback positivo, la forza delle correlazioni elettroniche coerenti nello stato superconduttore è senza precedenti, superando di gran lunga quanto è possibile per i superconduttori convenzionali. Un'interazione elettronica così forte apre anche la possibilità che la superconduttività del cuprato possa verificarsi a causa di un meccanismo di accoppiamento completamente non convenzionale, un meccanismo di accoppiamento puramente elettronico che potrebbe sorgere esclusivamente a causa delle fluttuazioni quantistiche.

"Scopriamo sperimentalmente che le correlazioni elettroniche incoerenti nello "stato normale" del metallo strano vengono convertite in correlazioni coerenti nello stato superconduttore che aiutano a rafforzare la superconduttività, con un conseguente ciclo di feedback positivo, " ha detto il coautore Dan Dessau dell'Università del Colorado a Boulder Phys.org . "Un circuito di feedback positivo così forte dovrebbe rafforzare i meccanismi di accoppiamento più convenzionali, ma potrebbe anche consentire un meccanismo di accoppiamento veramente non convenzionale (puramente elettronico)".

Sorprendentemente, i ricercatori hanno anche scoperto che potevano descrivere i loro risultati sperimentali usando un approccio semi-convenzionale simile a una quasiparticella, nonostante il fatto che i superconduttori cuprati si comportino in modo così diverso rispetto ad altri materiali.

Nel futuro, i ricercatori intendono indagare se questo meccanismo di feedback positivo può essere integrato in altri materiali, forse portando a nuovi tipi di superconduttori ad alta temperatura.

"Possiamo cercare circuiti di feedback positivi simili nei materiali correlati, e può anche utilizzare le nuove tecniche basate su ARPES per sondare i dettagli delle correlazioni elettroniche in modo ancora più dettagliato, " disse Li.

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