Quando si collega un apparecchio o si accende un interruttore della luce, l'elettricità sembra fluire istantaneamente attraverso i fili nel muro. Ma infatti, l'elettricità è trasportata da minuscole particelle chiamate elettroni che si spostano lentamente attraverso i fili. Nel loro viaggio, gli elettroni occasionalmente si scontrano con gli atomi del materiale, cedere un po' di energia ad ogni collisione.

Il grado in cui gli elettroni viaggiano senza ostacoli determina quanto bene un materiale può condurre l'elettricità. I cambiamenti ambientali possono aumentare la conduttività, in alcuni casi drasticamente. Per esempio, quando alcuni materiali vengono raffreddati a temperature rigide, gli elettroni si alleano in modo da poter fluire senza inibizioni, senza perdere alcuna energia, un fenomeno chiamato superconduttività.

Ora un team di ricercatori del Dipartimento di Fisica dell'Università del Maryland (UMD) insieme a collaboratori ha visto una superconduttività esotica che si basa su interazioni di elettroni molto insolite. Sebbene sia previsto che si verifichi in altri sistemi non materiali, questo tipo di comportamento è rimasto sfuggente. La ricerca del team, pubblicato nel numero del 6 aprile di Progressi scientifici , rivela effetti profondamente diversi da tutto ciò che è stato visto prima con la superconduttività.

Le interazioni degli elettroni nei superconduttori sono dettate da una proprietà quantistica chiamata spin. In un normale superconduttore, elettroni, che portano un giro di ½, accoppiarsi e fluire senza inibizioni con l'aiuto delle vibrazioni nella struttura atomica. Questa teoria è ben collaudata e può descrivere il comportamento della maggior parte dei superconduttori. In questa nuova ricerca, il team scopre le prove di un nuovo tipo di superconduttività nel materiale YPtBi, uno che sembra derivare da particelle con spin-3/2.

"Nessuno aveva davvero pensato che questo fosse possibile nei materiali solidi, " spiega Johnpierre Paglione, un professore di fisica UMD e autore senior dello studio. "Sono possibili stati ad alto spin nei singoli atomi, ma una volta che metti insieme gli atomi in un solido, questi stati di solito si rompono e finisci con lo spin a metà. "

Scoprire che YPtBi era un superconduttore ha sorpreso in primo luogo i ricercatori. La maggior parte dei superconduttori inizia come conduttori ragionevolmente buoni, con molti elettroni mobili, un ingrediente che manca all'YPtBi. Secondo la teoria convenzionale, YPtBi avrebbe bisogno di circa mille volte più elettroni mobili per diventare superconduttore a temperature inferiori a 0,8 Kelvin. E ancora, raffreddando il materiale a questa temperatura, il team ha visto accadere comunque la superconduttività. Questo era un primo segno che qualcosa di esotico stava accadendo all'interno di questo materiale.

Dopo aver scoperto la transizione superconduttiva anomala, i ricercatori hanno effettuato misurazioni che hanno fornito loro informazioni sull'accoppiamento degli elettroni sottostante. Hanno studiato una caratteristica significativa dei superconduttori:la loro interazione con i campi magnetici. Quando il materiale subisce la transizione a un superconduttore, cercherà di espellere qualsiasi campo magnetico aggiunto dal suo interno. Ma l'espulsione non è del tutto perfetta. Vicino alla superficie, il campo magnetico può ancora entrare nel materiale ma poi decade rapidamente. Quanto lontano si spinge dipende dalla natura della coppia di elettroni, e cambia man mano che il materiale si raffredda sempre di più.

Per sondare questo effetto, i ricercatori hanno variato la temperatura in un piccolo campione del materiale esponendolo a un campo magnetico più di dieci volte più debole di quello terrestre. Una bobina di rame che circonda il campione ha rilevato modifiche alle proprietà magnetiche del superconduttore e ha permesso al team di misurare in modo sensibile piccole variazioni nella profondità del campo magnetico raggiunto all'interno del superconduttore.

La misurazione ha rivelato un'insolita intrusione magnetica. Poiché il materiale si è riscaldato dallo zero assoluto, la profondità di penetrazione del campo per YPtBi è aumentata in modo lineare anziché esponenziale come avverrebbe per un superconduttore convenzionale. Questo effetto, combinato con altre misurazioni e calcoli teorici, vincolato i possibili modi in cui gli elettroni potrebbero accoppiarsi. I ricercatori hanno concluso che la migliore spiegazione per la superconduttività erano gli elettroni camuffati da particelle con uno spin più elevato, una possibilità che non era nemmeno stata considerata prima nel quadro della superconduttività convenzionale.

La scoperta di questo superconduttore ad alto spin ha dato una nuova direzione a questo campo di ricerca. "Eravamo limitati all'accoppiamento con particelle di metà spin, "dice Hyunsoo Kim, autore principale e assistente ricercatore UMD. "Ma se iniziamo a considerare lo spin più alto, poi il panorama di questa ricerca superconduttiva si espande e diventa solo più interessante."

Per adesso, restano molte domande aperte, compreso come tale accoppiamento potrebbe avvenire in primo luogo. "Quando hai questo abbinamento ad alto spin, qual è il collante che tiene insieme queste coppie?" dice Paglione. "Ci sono alcune idee su cosa potrebbe accadere, ma rimangono domande fondamentali, il che lo rende ancora più affascinante".