Quando si tratta di superconduttori ad alta temperatura, "alto" è un termine relativo. Nel campo della superconduttività, "alta temperatura" significa tutto ciò che può essere ancora superconduttivo oltre i 30 gradi Kelvin (K), o un mite -405 gradi Fahrenheit (F).
Il primo superconduttore ad alta temperatura è stato scoperto nel 1986, in composti ceramici di rame e ossigeno noti come cuprati. Questi materiali potrebbero raggiungere la superconduttività intorno ai 35 gradi Kelvin o -396,67 gradi Fahrenheit. Nei decenni successivi, quel limite di temperatura è aumentato e, ad oggi, i ricercatori hanno raggiunto la superconduttività nei cuprati a temperature fino a 135 gradi Kelvin.
È un progresso importante, per essere sicuro, ma la superconduttività a temperatura ambiente, che richiede il funzionamento a 300 gradi Kelvin, è ancora molto lontano, se non impossibile.
Uno dei maggiori ostacoli è che i ricercatori non comprendono ancora i meccanismi sottostanti completi della superconduttività del cuprato e perché esiste una tale variabilità nella temperatura di transizione del superconduttore tra i composti del cuprato.
Ora, i ricercatori della Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) potrebbero avere la risposta. I ricercatori, guidato da Xin Li, Assistant Professor di Scienza dei Materiali presso SEAS, hanno scoperto che la forza di un particolare legame chimico nei composti cuprati influisce sulla temperatura alla quale il materiale raggiunge la superconduttività.
La ricerca è pubblicata su Lettere di revisione fisica .
"Questo potrebbe essere un nuovo inizio per la progettazione di materiali con superconduttività ad alta temperatura, " ha detto Li. "La nostra ricerca fa luce su una componente chiave dei complicati fenomeni nei cuprati e ci indica una nuova ed entusiasmante direzione per il design dei materiali".
Tutti i cuprati hanno gli stessi blocchi strutturali:piani stratificati di perossido di rame (CuO 2 ) con uno ione ossigeno fuori piano, noto come ossigeno apicale. Questo ione di ossigeno si trova sopra ogni atomo di rame nel CuO 2 aereo, come una boa sulla superficie dell'acqua. La differenza chiave tra i composti cuprati deriva da quale altro elemento è attaccato alla boa di ossigeno. Questo elemento è noto come catione apicale e può essere una varietà di elementi tra cui il lantanio, bismuto, rame, o mercurio.
La temperatura alla quale il materiale diventa superconduttivo cambia a seconda di quale elemento viene utilizzato, ma nessuno sa davvero perché.
Confrontando simulazione ed esperimenti, Li e il suo team hanno dimostrato che la chiave è il legame tra il catione apicale e l'ossigeno apicale:più forte è il legame chimico, la temperatura più alta alla quale il materiale diventa superconduttivo.
Ma perché questo legame aumenta le temperature superconduttive?
I superconduttori sono spesso descritti come autostrade elettroniche, o corsie super carpool, in cui gli elettroni accoppiati sono automobili e il materiale superconduttore è lo speciale, strada senza attrito per far muovere le auto.
Però, gli elettroni in realtà non si muovono attraverso un superconduttore ad alta temperatura come un'auto su una strada. Anziché, saltano. Questo processo di salto è reso molto più semplice quando il reticolo cristallino su cui si muovono gli elettroni oscilla in un modo particolare.
Un forte legame chimico tra l'anione apicale e il catione apicale aumenta l'oscillazione sia del reticolo che della corrente elettrica indotta.
Immagina un aquilone legato a una boa e molte di queste unità di boe-aquilone si allineano. Se il legame tra l'aquilone e la boa è forte, l'aquilone può tirare su e giù la boa, causando increspature e spruzzi nell'acqua. Le increspature sono simili all'oscillazione reticolare e gli schizzi rappresentano gli elettroni che vengono spinti fuori dal CuO 2 aereo. Le increspature e gli schizzi non sono caotici, piuttosto, seguono in modo cooperativo alcune regole che dicono ai ragazzi come oscillare nel modo migliore per aiutare l'elettrone a saltare facilmente lungo il materiale.
"Abbiamo dimostrato che questa unità strutturale, lo strato di ossigeno di rame, l'anione apicale, e il catione apicale:è un elemento costitutivo fondamentale che può accoppiarsi dinamicamente per controllare le proprietà superconduttive del materiale, " ha detto Li. "Questo apre una strada completamente nuova per esplorare le proprietà superconduttive dei materiali".
Prossimo, i ricercatori mirano a esplorare come questo nuovo effetto influisce sulla nostra comprensione del misterioso diagramma di fase nei superconduttori ad alta temperatura, compreso il meccanismo di accoppiamento in questi superconduttori.
