Fino a circa 50 anni fa, tutti i superconduttori conosciuti erano metalli. Questo aveva senso, perché i metalli hanno il maggior numero di elettroni "portatori" debolmente legati che sono liberi di accoppiarsi e fluire come corrente elettrica senza resistenza e con un'efficienza del 100% - il segno distintivo della superconduttività.

Poi ne arrivò uno strano:titanato di stronzio, il primo materiale di ossido e il primo semiconduttore sono risultati superconduttori. Anche se non si adatta al classico profilo di un superconduttore - ha pochissimi elettroni liberi di muoversi - diventa superconduttore quando le condizioni sono giuste, sebbene nessuno sapesse spiegare il motivo.

Ora gli scienziati hanno sondato per la prima volta in dettaglio il comportamento superconduttore dei suoi elettroni. Hanno scoperto che è ancora più strano di quanto pensassero. Eppure questa è una buona notizia, loro hanno detto, perché dà loro un nuovo punto di vista per pensare a ciò che è noto come superconduttività "ad alta temperatura", un fenomeno che potrebbe essere sfruttato per una futura generazione di linee elettriche perfettamente efficienti, treni levitanti e altre tecnologie rivoluzionarie.

Il gruppo di ricerca, guidato da scienziati del Dipartimento dell'Energia del SLAC National Accelerator Laboratory e della Stanford University, hanno descritto il loro studio in un articolo pubblicato il 30 gennaio su Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze .

"Se i superconduttori metallici convenzionali si trovano a un'estremità di uno spettro, il titanato di stronzio è fino in fondo all'altra estremità. Ha la più bassa densità di elettroni disponibili di qualsiasi superconduttore che conosciamo, " ha detto Adrian Swartz, un ricercatore post-dottorato presso lo Stanford Institute for Materials and Energy Science (SIMES) che ha guidato la parte sperimentale della ricerca con Hisashi Inoue, uno studente laureato di Stanford all'epoca.

"È uno dei tanti materiali che chiamiamo superconduttori "non convenzionali" perché non possono essere spiegati dalle teorie attuali, "Swartz ha detto. "Studiando il suo comportamento estremo, speriamo di ottenere informazioni sugli ingredienti che portano alla superconduttività in questi materiali non convenzionali, compresi quelli che operano a temperature più elevate."

Teorie sui duelli

Secondo la teoria ampiamente accettata nota come BCS per le iniziali dei suoi inventori, la superconduttività convenzionale è innescata da vibrazioni naturali che si propagano attraverso il reticolo atomico di un materiale. Le vibrazioni fanno sì che gli elettroni portatori si accoppino e si condensino in un superfluido, che scorre attraverso il materiale senza resistenza:una corrente elettrica efficiente al 100%. In questa immagine, il materiale superconduttore ideale contiene un'alta densità di elettroni in rapido movimento, e anche vibrazioni reticolari relativamente deboli sono sufficienti per incollare insieme coppie di elettroni.

Ma al di fuori della teoria, nel regno dei superconduttori non convenzionali, nessuno sa cosa tiene insieme le coppie di elettroni, e nessuna delle teorie concorrenti ha il sopravvento.

Per trovare indizi su cosa sta succedendo all'interno del titanato di stronzio, gli scienziati hanno dovuto capire come applicare uno strumento importante per studiare il comportamento dei superconduttori, nota come spettroscopia a tunnel, a questo materiale. Ci sono voluti diversi anni, disse Harold Hwang, professore allo SLAC e Stanford e ricercatore SIMES.

"La voglia di fare questo esperimento c'è da decenni, ma è stata una sfida tecnica, " ha detto. "Questo è, per quanto ne so, la prima serie completa di dati usciti da un esperimento di tunneling su questo materiale." Tra le altre cose, il team ha potuto osservare come il materiale ha risposto al doping, un processo comunemente usato in cui gli elettroni vengono aggiunti a un materiale per migliorarne le prestazioni elettroniche.

"Tutto è sottosopra"

Le misurazioni del tunneling hanno rivelato che il titanato di stronzio è l'esatto opposto di quello che ti aspetteresti in un superconduttore:le sue vibrazioni reticolari sono forti e i suoi elettroni portatori sono pochi e lenti.

"Questo è un sistema in cui tutto è capovolto, " Ha detto Hwang.

D'altra parte, dettagli come il comportamento e la densità dei suoi elettroni e l'energia richiesta per formare lo stato superconduttore corrispondono quasi esattamente a ciò che ti aspetteresti dalla teoria BCS convenzionale, disse Swartz.

"Così, Il titanato di stronzio sembra essere un superconduttore non convenzionale che si comporta come un superconduttore convenzionale per alcuni aspetti, " ha detto. "Questo è piuttosto un enigma, e una bella sorpresa per noi. Abbiamo scoperto qualcosa di più confuso di quanto pensassimo inizialmente, che da un punto di vista della fisica fondamentale è più profondo."

Ha aggiunto, "Se possiamo migliorare la nostra comprensione della superconduttività in questa sconcertante serie di circostanze, potremmo potenzialmente imparare a raccogliere gli ingredienti per realizzare la superconduttività a temperature più elevate".

Il prossimo passo, Swartz ha detto, consiste nell'utilizzare la spettroscopia tunnel per testare una serie di previsioni teoriche sul motivo per cui il titanato di stronzio agisce in quel modo.