Un team di scienziati ha rilevato uno stato nascosto di ordine elettronico in un materiale stratificato contenente lantanio, bario, rame, e ossigeno (LBCO). Quando raffreddato ad una certa temperatura e con determinate concentrazioni di bario, LBCO è noto per condurre elettricità senza resistenza, ma ora ci sono prove che uno stato superconduttivo si verifica effettivamente anche al di sopra di questa temperatura. Era solo questione di usare lo strumento giusto, in questo caso, impulsi di luce infrarossa ad alta intensità per poterla vedere.

Riportato in un articolo pubblicato nel numero del 2 febbraio di Scienza , la scoperta del team fornisce ulteriori informazioni sul mistero decennale della superconduttività in LBCO e composti simili contenenti strati di rame e ossigeno inseriti tra altri elementi. Questi "cuprati" diventano superconduttori a temperature relativamente più elevate rispetto ai superconduttori tradizionali, che devono essere congelati vicino allo zero assoluto (meno 459 gradi Fahrenheit) prima che i loro elettroni possano fluire attraverso di essi con un'efficienza del 100%. Capire perché i cuprati si comportano in questo modo potrebbe aiutare gli scienziati a progettare migliori superconduttori ad alta temperatura, eliminando il costo di costosi sistemi di raffreddamento e migliorando l'efficienza della generazione di energia, trasmissione, e distribuzione. Immagina computer che non si scaldano mai e reti elettriche che non perdono mai energia.

"L'obiettivo finale è raggiungere la superconduttività a temperatura ambiente, " disse Giovanni Tranquada, un fisico e leader del Neutron Scatter Group nel Dipartimento di fisica e scienza dei materiali della materia condensata presso il Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE), dove studia cuprate dagli anni '80. "Se vogliamo farlo in base alla progettazione, dobbiamo capire quali caratteristiche sono essenziali per la superconduttività. Estrarre quelle caratteristiche in materiali così complicati come i cuprati non è un compito facile".

I piani rame-ossigeno di LBCO contengono "strisce" di carica elettrica separate da un tipo di magnetismo in cui gli spin dell'elettrone si alternano in direzioni opposte. Affinché LBCO diventi superconduttore, i singoli elettroni in queste strisce devono essere in grado di accoppiarsi e muoversi all'unisono attraverso il materiale.

Esperimenti precedenti hanno dimostrato che, al di sopra della temperatura alla quale LBCO diventa superconduttore, la resistenza si verifica quando il trasporto elettrico è perpendicolare ai piani ma è zero quando il trasporto è parallelo. I teorici hanno proposto che questo fenomeno potrebbe essere la conseguenza di un'insolita modulazione spaziale della superconduttività, con l'ampiezza dello stato superconduttore che oscilla da positivo a negativo spostandosi da una striscia di carica alla successiva. Il motivo a strisce ruota di 90 gradi da un livello all'altro, e pensavano che questo orientamento relativo impedisse alle coppie di elettroni superconduttori di muoversi coerentemente tra gli strati.

"Questa idea è simile al passaggio della luce attraverso un paio di polarizzatori ottici, come le lenti di alcuni occhiali da sole, " disse Tranquada. "Quando i polarizzatori hanno lo stesso orientamento, passano leggeri, ma quando il loro orientamento relativo viene ruotato di 90 gradi, bloccano tutta la luce."

Però, era mancato un test sperimentale diretto di questo quadro, fino ad ora.

Una delle sfide è sintetizzare il grande, cristalli singoli di alta qualità di LBCO necessari per condurre esperimenti. "Ci vogliono due mesi per far crescere un cristallo, e il processo richiede un controllo preciso della temperatura, atmosfera, Composizione chimica, e altre condizioni, " ha detto il co-autore Genda Gu, un fisico del gruppo di Tranquada. Gu ha utilizzato una fornace a infrarossi, una macchina con due lampade luminose che focalizzano la luce infrarossa su un'asta cilindrica contenente il materiale di partenza, riscaldandolo a quasi 2500 gradi Fahrenheit e facendolo sciogliere, nel suo laboratorio di crescita dei cristalli per far crescere i cristalli LBCO.

I collaboratori del Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter e dell'Università di Oxford hanno quindi diretto la luce infrarossa, generato da impulsi laser ad alta intensità, ai cristalli (con la luce polarizzata in direzione perpendicolare ai piani) e misurato l'intensità della luce riflessa dal campione. Oltre alla consueta risposta - i cristalli riflettevano la stessa frequenza di luce che era stata inviata - gli scienziati hanno rilevato un segnale tre volte superiore alla frequenza di quella luce incidente.

"Per campioni con superconduttività tridimensionale, la firma superconduttiva può essere vista sia alla frequenza fondamentale che alla terza armonica, " ha detto Tranquada. "Per un campione in cui strisce di carica bloccano la corrente superconduttiva tra gli strati, non c'è firma ottica alla frequenza fondamentale. Però, portando il sistema fuori equilibrio con l'intensa luce infrarossa, gli scienziati hanno indotto un accoppiamento netto tra gli strati, e la firma superconduttiva si presenta nella terza armonica. Avevamo sospettato che l'accoppiamento elettronico fosse presente:richiedeva solo uno strumento più potente per portare alla luce questa superconduttività".

I teorici dell'Università di Amburgo hanno supportato questa osservazione sperimentale con analisi e simulazioni numeriche della riflettività.

Questa ricerca fornisce una nuova tecnica per sondare diversi tipi di ordini elettronici nei superconduttori ad alta temperatura, e la nuova comprensione può essere utile per spiegare altri strani comportamenti nei cuprati.