Una teoria del 2017 proposta dai fisici della Rice University per spiegare il comportamento contraddittorio di un superconduttore ad alta temperatura a base di ferro sta aiutando a risolvere un enigma in un diverso tipo di superconduttore non convenzionale, il composto "fermione pesante" noto come CeCu ₂ si ₂ .

Un team internazionale dagli Stati Uniti, Cina, Germania e Canada hanno riportato i risultati questa settimana nel Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze (PNAS). Lo studio si è concentrato su un cerio, composito di rame e silicio il cui strano comportamento nel 1979 ha contribuito a inaugurare il campo multidisciplinare dei materiali quantistici.

Quell'anno, un team guidato da Frank Steglich del Max Planck Institute, un coautore sul PNAS carta, scoperto che CeCu ₂ si ₂ è diventato un superconduttore a temperature estremamente fredde. Il meccanismo della superconduttività non può essere spiegato dalla teoria esistente, e la scoperta fu così inaspettata e insolita che molti fisici inizialmente si rifiutarono di accettarla. La scoperta del 1986 della superconduttività a temperature ancora più elevate nelle ceramiche di rame ha cristallizzato l'interesse nel campo ed è arrivato a dominare la carriera di fisici teorici come Qimiao Si di Rice, un PNAS coautore dello studio e professore di fisica e astronomia di Harry C. e Olga K. Wiess.

si, la cui decennale collaborazione con Steglich ha portato a quasi due dozzine di studi peer-reviewed, disse, "Nei miei sogni più selvaggi, Non avevo pensato che la teoria che abbiamo proposto per i superconduttori a base di ferro sarebbe tornata nell'altra parte della mia vita, che sono i superconduttori di fermioni pesanti."

fermioni pesanti, come i superconduttori ad alta temperatura, sono ciò che i fisici chiamano materiali quantistici a causa del ruolo chiave che le forze quantistiche svolgono nel loro comportamento. Nei superconduttori ad alta temperatura, Per esempio, gli elettroni formano coppie e scorrono senza resistenza a temperature considerevolmente più calde di quelle necessarie per la superconduttività convenzionale. Nei fermioni pesanti, gli elettroni sembrano essere migliaia di volte più massicci di quanto dovrebbero.

Nel 2001, si, che dirige anche il Rice Center for Quantum Materials (RCQM), ha offerto una teoria pionieristica secondo cui questi fenomeni si verificano in punti critici di transizione, punti critici in cui i cambiamenti di pressione o altre condizioni determinano una transizione da uno stato quantistico a un altro. Al punto di svolta, o "punto critico quantistico, "Gli elettroni possono sviluppare una sorta di personalità scissa mentre tentano di superare il confine tra gli stati.

Il caso della superconduttività illustra come ciò può svolgersi. In un normale filo di rame, la resistenza elettrica sorge quando gli elettroni in movimento si urtano e urtano contro gli atomi nel filo. Ogni urto costa una piccola quantità di energia, che si perde in calore. Nei superconduttori, gli elettroni evitano questa perdita accoppiandosi e scorrendo all'unisono, senza urti.

Poiché gli elettroni sono tra le particelle subatomiche più antisociali, si respingono e si accoppiano solo in circostanze straordinarie. Nel caso dei superconduttori convenzionali, minuscole variazioni nella distanza tra gli atomi in un filo superraffreddato possono persuadere gli elettroni in un matrimonio di convenienza. Il meccanismo nei superconduttori non convenzionali è diverso.

"La nostra comprensione unificante è che se due elettroni lavorano duramente per respingersi l'un l'altro, ci può essere ancora una forza attrattiva, " Si disse. "Se mi muovo perché non mi piace starti vicino, e tu stai facendo lo stesso, eppure non possiamo essere troppo distanti, diventa una specie di danza. Le coppie nei superconduttori ad alta temperatura si muovono l'una rispetto all'altra, non diversamente da due compagni di ballo che girano, anche mentre si muovono insieme sulla pista da ballo."

La teoria del 2017 proposta da Si e dall'allora laureando Emilian Nica, ora un ricercatore associato post-dottorato presso il Quantum Materials Institute della University of British Columbia, postulato che l'accoppiamento selettivo all'interno degli orbitali atomici potrebbe spiegare alcuni sconcertanti risultati sperimentali di alcuni dei superconduttori a più alta temperatura, seleniuri di ferro alcalini.

Alcuni esperimenti avevano mostrato che le coppie nei seleniuri di ferro alcalini si comportavano come se avessero un momento angolare pari a zero, cui i fisici si riferiscono con il termine s-wave, mentre altri esperimenti indicavano che le coppie avevano un momento angolare di due, che i fisici chiamano d-wave. Questa differenza è profonda perché il momento angolare è un identificatore fondamentale per gli elettroni. Proprio come mele e arance si trovano in diversi contenitori alla drogheria, Gli accoppiamenti s-wave e d-wave non si mescolano e si trovano in materiali diversi.

"Ciò che la tesi di Nica ha introdotto è che si può avere uno stato superconduttore in cui le coppie di elettroni associate a un orbitale di una subshell sono molto diverse da quelle di un altro orbitale strettamente correlato nella stessa subshell perché hanno un segno opposto, "Si disse.

"Il motivo per cui abbiamo proposto questo stato di accoppiamento multi-orbitale era perché le misurazioni di alcune cose, come risposte magnetiche, mostrerebbe che i seleniuri di ferro alcalino avevano caratteristiche canoniche d'onda d, e altre misurazioni, come l'emissione fotografica risolta angolare, attributi rivelati associati ai superconduttori a onde s.

"Gli esperimenti nel superconduttore a base di ferro erano già stati fatti, e abbiamo offerto una spiegazione, uno stato di accoppiamento stabile e robusto, eppure aveva tutte queste proprietà apparentemente contraddittorie che sono state osservate sperimentalmente."

Quando gli esperimenti del 2017 in Giappone hanno rivelato alcune proprietà sconcertanti in CeCu ₂ si ₂ , Si disse a Steglich che la teoria orbitale-selettiva potrebbe essere in grado di spiegarli. Insieme, hanno unito le forze con il team sperimentale del fisico Huiqiu Yuan, vicedirettore del Centro per le questioni correlate della Zhejiang University di Hangzhou, Cina, per testare l'idea.

La teoria di Si e Nica prevedeva che gli esperimenti avrebbero rivelato un insieme specifico di misurazioni apparentemente contraddittorie da CeCu2Si2, a condizione che il materiale possa essere raffreddato a una temperatura ancora più fredda del punto di svolta che determina la superconduttività. Il gruppo di Yuan ha eseguito gli esperimenti e ha confermato la previsione.

"L'evidenza storica è sempre stata che l'accoppiamento in questo materiale è d-wave, " disse Nica. "Ma gli esperimenti hanno confermato che in effetti, nonostante tutte le prove schiaccianti che è d-wave, ha una caratteristica chiamata "lacune completamente aperte" che è normalmente associata ai superconduttori a onde s. La nostra è l'unica teoria offerta finora che può spiegare questo".

Si ha detto, "È enormemente soddisfacente su più livelli. Uno è che mentre la fisica della materia condensata offre molti materiali che possono ospitare proprietà affascinanti, alla fine stiamo cercando principi unificanti, soprattutto come teorici. Ho cercato attivamente per anni questi principi unificanti, ma non stavamo cercando attivamente una spiegazione unificante quando abbiamo proposto questa teoria. Per vederlo applicato, a tal fine, in un'altra ambientazione completamente inaspettata è stata una vera sorpresa."