C'è un letterale disturbo nella forza che altera ciò che i fisici hanno a lungo considerato una caratteristica della superconduttività, secondo gli scienziati della Rice University.

I fisici del riso Pengcheng Dai e Andriy Nevidomskyy e i loro colleghi hanno utilizzato simulazioni ed esperimenti di diffusione di neutroni che mostrano la struttura atomica dei materiali per rivelare minuscole distorsioni del reticolo cristallino in un cosiddetto composto di ferro pnictide di sodio, ferro da stiro, nichel e arsenico.

Queste distorsioni locali sono state osservate nell'ordine atomico altrimenti simmetrico nel materiale a temperature ultrafredde vicine al punto di superconduttività ottimale. Indicano che i ricercatori potrebbero avere qualche margine di manovra mentre lavorano per aumentare la temperatura alla quale i pnictidi di ferro diventano superconduttori.

La scoperta riportata questa settimana in Comunicazioni sulla natura è il risultato di quasi due anni di lavoro del team Rice e dei suoi collaboratori negli Stati Uniti, Germania e Cina.

Dai e Nevidomskyy, entrambi membri del Rice Center for Quantum Materials (RCQM), sono interessati ai processi fondamentali che danno origine a nuovi fenomeni collettivi come la superconduttività, che consente ai materiali di trasmettere corrente elettrica senza resistenza.

Gli scienziati hanno originariamente scoperto la superconduttività a temperature ultrafredde che consentono agli atomi di cooperare in modi che non sono possibili a temperatura ambiente. Anche i noti superconduttori "ad alta temperatura" raggiungono i 134 Kelvin a pressione ambiente, equivalente a meno 218 gradi Fahrenheit.

Quindi, se c'è qualche speranza per un uso pratico diffuso della superconduttività, gli scienziati devono trovare scappatoie nella fisica di base del comportamento degli atomi e dei loro costituenti in una varietà di condizioni.

Questo è ciò che i ricercatori della Rice hanno fatto con il ferro pnictide, un "superconduttore non convenzionale" di sodio, ferro e arsenico, soprattutto se drogato con nichel.

Per rendere superconduttivo qualsiasi materiale, deve essere raffreddato. Questo lo invia attraverso tre transizioni:primo, una transizione di fase strutturale che cambia il reticolo; secondo, una transizione magnetica che sembra trasformare i materiali paramagnetici in antiferromagneti in cui gli spin degli atomi si allineano in direzioni alternate; e terzo, il passaggio alla superconduttività. A volte la prima e la seconda fase sono quasi simultanee, a seconda del materiale.

Nella maggior parte dei superconduttori non convenzionali, ogni stadio è fondamentale per il successivo poiché gli elettroni nel sistema iniziano a legarsi insieme in coppie di Cooper, raggiungere il picco di correlazione in un punto critico quantistico, il punto in cui l'ordine magnetico viene soppresso e appare la superconduttività.

Ma nel superconduttore pnictide, i ricercatori hanno scoperto che la prima transizione è un po' confusa, poiché parte del reticolo ha assunto una proprietà nota come fase nematica. Nematic è tratto dalla parola greca per "simile a un filo" ed è simile alla fisica dei cristalli liquidi che si allineano in reazione a una forza esterna.

La chiave della superconduttività del materiale sembra risiedere all'interno di una proprietà sottile che è unica per i pnictides di ferro:una transizione strutturale nel suo reticolo cristallino, la disposizione ordinata dei suoi atomi, da tetragonale a ortorombica. In un cristallo tetragonale, gli atomi sono disposti come cubi che sono stati allungati in una direzione. Una struttura ortorombica ha la forma di un mattone.

I cristalli di pnictide di sodio-ferro-arsenico sono noti per essere tetragonali fino a quando non vengono raffreddati a una temperatura di transizione che costringe il reticolo a diventare ortorombici, un passo verso la superconduttività che appare a temperature più basse. Ma i ricercatori della Rice sono rimasti sorpresi nel vedere regioni ortorombici anomale ben al di sopra di quella temperatura di transizione strutturale. Ciò si è verificato in campioni che erano minimamente drogati con nichel e persistevano quando i materiali erano eccessivamente drogati, hanno riferito.

"Nella fase tetragonale, le direzioni (quadrate) A e B del reticolo sono assolutamente uguali, " disse Dai, che ha condotto esperimenti di diffusione di neutroni per caratterizzare il materiale all'Oak Ridge National Laboratory, il National Institute of Standards and Technology Center for Neutron Research e Research Neutron Source presso il Centro Heinz Maier-Leibnitz.

"Quando lo raffreddi, diventa inizialmente ortorombica, il che significa che il reticolo collassa spontaneamente in un asse, eppure non c'è ancora nessun ordine magnetico. Abbiamo scoperto che misurando in modo molto preciso questo parametro reticolare e la sua distorsione dipendente dalla temperatura, siamo stati in grado di dire come cambia il reticolo in funzione della temperatura nel regime tetragonale paramagnetico".

Sono stati sorpresi di vedere sacche di una fase nematica superconduttiva che inclinano il reticolo verso la forma ortorombica anche al di sopra della prima transizione.

"L'intero documento suggerisce che ci sono distorsioni locali che compaiono a una temperatura alla quale il sistema, in linea di principio, dovrebbe essere tetragonale, "Dai ha detto. "Queste distorsioni locali non cambiano solo in funzione della temperatura, ma in realtà "conosce" la superconduttività. Quindi, la loro dipendenza dalla temperatura cambia alla superconduttività ottimale, il che suggerisce che il sistema ha un punto critico quantistico nematico, quando le fasi nematiche locali sono soppresse.

"Fondamentalmente, ti dice che questo ordine nematico è in competizione con la stessa superconduttività, " ha detto. "Ma poi suggerisce che la fluttuazione nematica può anche aiutare la superconduttività, perché cambia la dipendenza dalla temperatura intorno al doping ottimale".

Essere in grado di manipolare quel punto di drogaggio ottimale può dare ai ricercatori una migliore capacità di progettare materiali con proprietà nuove e prevedibili.

"Le fluttuazioni nematiche elettroniche crescono molto in prossimità del punto critico quantistico, e vengono inchiodati da imperfezioni e impurità del cristallo locale, manifestandosi nelle distorsioni locali che misuriamo, " disse Nevidomskyy, che ha guidato la parte teorica dell'indagine. "L'aspetto più intrigante è che la superconduttività è più forte quando questo accade, suggerendo che queste fluttuazioni nematiche sono strumentali nella sua formazione."