Scoperto per caso oltre un secolo fa, il fenomeno della superconduttività ha ispirato una rivoluzione tecnologica. Nel 1911, studiando il comportamento del mercurio solido sottoraffreddato a 4 K (-269 °C), Il fisico olandese Heike Kamerlingh Onnes (1853-1926) osservò per la prima volta che alcuni materiali conducono elettricità senza resistenza o perdite a temperature prossime allo zero assoluto.

L'interesse è ripreso negli anni '80 quando la superconduttività è stata osservata sperimentalmente a temperature molto più elevate nell'intervallo di 90 K (-183 ° C). Questo record è stato successivamente superato, e gli scienziati ora cercano la superconduttività a temperatura ambiente.

Queste informazioni forniscono lo sfondo per uno studio recentemente condotto dal Solid State Physics Group presso la São Paulo State University (UNESP) a Rio Claro, Brasile. L'investigatore principale era Valdeci Pereira Mariano de Souza. Oltre ad altri ricercatori affiliati all'UNESP, il team comprendeva scienziati dell'Università di Parigi Sud (Orsay) in Francia.

A Rio Claro, il team di ricerca ha utilizzato attrezzature acquistate con il supporto della Fondazione di ricerca di San Paolo - FAPESP per ottenere i risultati, che ha fornito la base per un articolo pubblicato in Revisione fisica B .

"In diversi materiali, la fase superconduttiva si manifesta in prossimità di quella che è nota come fase isolante di Mott. La transizione di Mott metallo-isolante è un improvviso cambiamento nella conduttività elettrica che si verifica a una data temperatura quando la repulsione di Coulomb tra gli elettroni diventa paragonabile all'energia cinetica dell'elettrone libero, " disse Mariano.

"Quando la repulsione di Coulomb diventa rilevante, gli elettroni che erano itineranti si localizzano, e questo riduce al minimo l'energia totale del sistema. Questa localizzazione di elettroni è la fase isolante di Mott. In alcuni casi, si svolge un processo ancora più esotico. A causa delle interazioni tra gli elettroni che occupano siti vicini nella rete, gli elettroni si riorganizzano nella rete in modo non omogeneo, e si verifica una cosiddetta "fase di ordinazione degli addebiti". Il nostro studio ha affrontato questo tipo di fenomeno".

Quando si verifica la fase di ordinazione dell'addebito, la distribuzione di carica non omogenea, che a volte è accompagnato da una distorsione della rete cristallina, rende il materiale elettricamente polarizzato, e come risultato, si comporta come un materiale ferroelettrico. Questa fase è conosciuta come la "fase ferroelettrica di Mott-Hubbard" da due fisici britannici che studiarono l'argomento:Nevill Mott (1905-96), 1977 Premio Nobel per la Fisica, e John Hubbard (1931-80).

Per esplorare sperimentalmente queste fasi esotiche, i ricercatori dell'UNESP hanno scelto un materiale chiamato sali di Fabre, che sono formati da una molecola organica, tetrametiltetratiafulvalene (TMTTF), con una configurazione simmetrica comprendente un doppio legame di carbonio centrale e due radicali metilici su entrambi i lati. Hanno usato un criostato, acquisita anche con il supporto di FAPESP, per raggiungere il punto più freddo e magnetico disponibile all'UNESP, con una temperatura di 1,4 K e un campo di 12 Tesla.

"Con questa configurazione sperimentale, abbiamo puntato non solo a caratterizzare i materiali, anche se questo è importante, ma per indagare le proprietà fondamentali della materia che si manifestano in condizioni estreme, " disse Mariano. "I sali di Fabre hanno diagrammi di stato estremamente ricchi per chi intraprende questo tipo di ricerca. I sistemi molecolari interessati erano già stati esplorati mediante risonanza magnetica nucleare, spettroscopia infrarossa e altre tecniche. Quello che abbiamo fatto essenzialmente è stato misurare le loro costanti dielettriche nel regime a bassa frequenza".

Vale la pena ricordare che la costante dielettrica varia da materiale a materiale e, mentre è una grandezza macroscopica, ci dice quanto sia polarizzabile un materiale.

"Dato che i sali di Fabre sono altamente anisotropi e quindi hanno proprietà di trasporto fortemente cristallografiche dipendenti dalla direzione, quando si verifica l'ordine di addebito, osserviamo la polarizzazione elettrica di Mott-Hubbard in tutto lo stack TMTTF. Questa polarizzazione è notevole ed è stata riportata in letteratura nel 2001, ", ha affermato il ricercatore supportato da FAPESP.

"Il contributo ionico alla costante dielettrica di questi materiali è stato misurato per la prima volta in questo studio. Abbiamo scoperto che al diminuire della temperatura, diminuisce anche il contributo ionico, che dà origine alla fase di Mott-Hubbard. Si trattava di una nuova osservazione che non era ancora stata riportata in letteratura, un nostro contributo davvero originale. Abbiamo anche esplorato in dettaglio l'effetto del disturbo indotto dall'irradiazione nella fase di Mott-Hubbard".

Questo è importante, Ha aggiunto, a causa della vicinanza della fase ferroelettrica di Mott-Hubbard alla superconduttività.

"Guglielmo Piccolo, Professore Emerito di Fisica alla Stanford University, ha affermato che i conduttori molecolari a bassa dimensionalità sarebbero candidati per ottenere la superconduttività a temperatura ambiente. Nel suo lavoro, Little propose che la superconduttività a temperatura ambiente sarebbe stata raggiunta per mezzo di "spine", o catene conduttrici con catene laterali altamente polarizzabili. I materiali che stiamo studiando hanno proprio questi elementi, " disse Mariano.

La produzione di spine è stato un primo passo. Il prossimo passo, già concepito dai ricercatori di Rio Claro, consiste nello stressare i sali di Fabre per indurre la superconduttività nella fase ferroelettrica di Mott-Hubbard.