Gli scienziati del National High Magnetic Field Laboratory della Florida State University hanno scoperto un comportamento in materiali chiamati cuprati che suggerisce che trasportano corrente in un modo completamente diverso dai metalli convenzionali come il rame.

La ricerca, pubblicato oggi sulla rivista Scienza , aggiunge un nuovo significato al moniker dei materiali, "metalli strani".

I cuprati sono superconduttori ad alta temperatura (HTS), il che significa che possono trasportare corrente senza alcuna perdita di energia a temperature leggermente più calde rispetto a quelle convenzionali, superconduttori a bassa temperatura (LTS). Sebbene gli scienziati comprendano la fisica della LTS, non hanno ancora rotto il dado dei materiali HTS. Il modo esatto in cui gli elettroni viaggiano attraverso questi materiali rimane il più grande mistero nel campo.

Per la loro ricerca su uno specifico cuprato, lantanio stronzio ossido di rame (LSCO), un team guidato dal fisico MagLab Arkady Shekhter si è concentrato sulla sua normalità, stato metallico:lo stato dal quale alla fine emerge la superconduttività quando la temperatura scende abbastanza. Questo stato normale di cuprati è noto come metallo "strano" o "cattivo", in parte perché gli elettroni non conducono l'elettricità particolarmente bene.

Gli scienziati hanno studiato i metalli convenzionali per più di un secolo e generalmente concordano su come l'elettricità li attraversa. Chiamano le unità che trasportano la carica attraverso quei metalli "quasiparticelle, " che sono essenzialmente elettroni dopo aver scomposto nel loro ambiente. Queste quasiparticelle agiscono in modo quasi indipendente l'una dall'altra mentre trasportano carica elettrica attraverso un conduttore.

Ma il flusso di quasiparticelle spiega anche come viaggia la corrente elettrica nei cuprati? Presso il National MagLab's Pulsed Field Facility a Los Alamos, Nuovo Messico, Shekhter e il suo team hanno indagato sulla questione. Hanno messo LSCO in un campo magnetico molto alto, applicato una corrente ad esso, poi ho misurato la resistenza.

I dati risultanti hanno rivelato che la corrente non può, infatti, viaggiare attraverso quasiparticelle convenzionali, come nel rame o nel silicio drogato. Il normale stato metallico del cuprato, è apparso, era tutt'altro che normale.

"Questo è un nuovo modo in cui i metalli possono condurre l'elettricità che non è un mucchio di quasiparticelle che volano in giro, che è l'unico linguaggio ben compreso e concordato finora, " ha detto Shekhter. "La maggior parte dei metalli funziona così."

Se non per quasiparticelle, esattamente come viene trasportata la carica nella strana fase metallica di LSCO? I dati suggeriscono che potrebbe essere una sorta di lavoro di squadra da parte degli elettroni.

Gli scienziati sono a conoscenza da tempo di un intrigante comportamento di LSCO:nel suo normale stato di conduzione, la resistività cambia linearmente con la temperatura. In altre parole, man mano che la temperatura sale, La resistenza di LSCO alla corrente elettrica aumenta proporzionalmente, che non è il caso dei metalli convenzionali.

Shekhter e i suoi colleghi hanno deciso di testare la resistività di LSCO, ma usando il campo magnetico come parametro invece della temperatura. Hanno messo il materiale in un magnete molto potente e hanno misurato la resistività in campi fino a 80 tesla. (Un magnete per la risonanza magnetica ospedaliera, a confronto, genera un campo di circa 3 tesla). Hanno scoperto un altro caso di resistività lineare:all'aumentare della forza del campo magnetico, La resistività di LSCO è aumentata proporzionalmente.

Il fatto che la resistività lineare in campo rispecchiasse così elegantemente la resistività lineare in temperatura precedentemente nota di LSCO è altamente significativo, disse Shekhter.

"Di solito quando vedi cose del genere, ciò significa che c'è un principio molto semplice alla base, " Egli ha detto.

La scoperta suggerisce che gli elettroni sembrano cooperare mentre si muovono attraverso il materiale. I fisici hanno creduto per qualche tempo che i materiali HTS esibissero un tale "comportamento elettronico correlato" nella fase superconduttiva, anche se il meccanismo preciso non è ancora stato compreso.

Questa nuova prova suggerisce che LSCO nel suo normale stato di conduzione può anche trasportare corrente usando qualcosa di diverso dalle quasiparticelle indipendenti, sebbene non sia superconduttività, o. Che cos'è quel "qualcosa", gli scienziati non sono ancora certi. Trovare la risposta può richiedere un modo completamente nuovo di guardare al problema.

"Qui abbiamo una situazione in cui nessuna lingua esistente può aiutare, "Ha detto Shekhter. "Abbiamo bisogno di trovare un nuovo linguaggio per pensare a questi materiali".

La nuova ricerca solleva molte domande e alcune idee allettanti, comprese idee sul modo fondamentalmente diverso in cui la resistività potrebbe essere sintonizzata nei cuprati. Nei metalli convenzionali, ha spiegato Shekhter, la resistività può essere regolata in diversi modi:immagina una serie di quadranti, nessuno dei quali potrebbe modificare quella proprietà.

Ma nei cuprati, Shekhter ha detto, "C'è solo un quadrante per regolare la resistività. E sia la temperatura che il campo magnetico, a modo loro, accedere a quel quadrante."

Strano, infatti. Ma da strani metalli, non ci si aspetterebbe niente di meno.