Nei materiali superconduttori, gli elettroni si accoppiano e si condensano in uno stato quantico che trasporta corrente elettrica senza perdita. Questo di solito accade a temperature molto basse. Gli scienziati hanno compiuto uno sforzo a tutto campo per sviluppare nuovi tipi di superconduttori che funzionano a temperatura ambiente, che farebbe risparmiare enormi quantità di energia e aprirebbe una nuova strada per la progettazione dell'elettronica quantistica. Per arrivarci, hanno bisogno di capire cosa innesca questa forma di superconduttività ad alta temperatura e come realizzarla su richiesta.

Ora, in studi indipendenti riportati in Scienza e Natura , gli scienziati dello SLAC National Accelerator Laboratory del Dipartimento dell'Energia e della Stanford University riportano due importanti progressi:hanno misurato le vibrazioni collettive degli elettroni per la prima volta e hanno mostrato come le interazioni collettive degli elettroni con altri fattori sembrano aumentare la superconduttività.

Realizzato con diversi materiali a base di rame e con diverse tecniche d'avanguardia, gli esperimenti delineano nuovi approcci per indagare su come funzionano i superconduttori non convenzionali.

"Fondamentalmente, quello che stiamo cercando di fare è capire cosa rende un buon superconduttore, " ha detto il co-autore Thomas Devereaux, professore allo SLAC e a Stanford e direttore del SIMES, lo Stanford Institute for Materials and Energy Sciences, i cui ricercatori hanno condotto entrambi gli studi.

"Quali sono gli ingredienti che potrebbero dare origine alla superconduttività a temperature ben al di sopra di quelle attuali?" Egli ha detto. "Questi e altri studi recenti indicano che il reticolo atomico gioca un ruolo importante, dandoci la speranza che stiamo guadagnando terreno nel rispondere a questa domanda".

Il puzzle ad alta temperatura

I superconduttori convenzionali furono scoperti nel 1911, e gli scienziati sanno come funzionano:gli elettroni fluttuanti sono attratti dal reticolo di atomi di un materiale, che ha una carica positiva, in un modo che consente loro di accoppiarsi e fluire come corrente elettrica con un'efficienza del 100%. Oggi, la tecnologia superconduttiva viene utilizzata nelle macchine per la risonanza magnetica, treni maglev e acceleratori di particelle.

Ma questi superconduttori funzionano solo se raffreddati a temperature fredde come lo spazio esterno. Quindi, quando gli scienziati hanno scoperto nel 1986 che una famiglia di materiali a base di rame noti come cuprati può supercondurre a livelli molto più alti, anche se ancora abbastanza freddo, temperature, erano euforici.

Da allora la temperatura di esercizio dei cuprati è aumentata gradualmente - il record attuale è di circa 120 gradi Celsius al di sotto del punto di congelamento dell'acqua - mentre gli scienziati esplorano una serie di fattori che potrebbero aumentare o interferire con la loro superconduttività. Ma non c'è ancora consenso su come funzionano i cuprati.

"La domanda chiave è come possiamo creare tutti questi elettroni, che si comportano molto come individui e non vogliono cooperare con gli altri, condensare in uno stato collettivo in cui tutte le parti partecipano e danno luogo a questo notevole comportamento collettivo?" ha detto Zhi-Xun Shen, un professore SLAC/Stanford e ricercatore SIMES che ha partecipato a entrambi gli studi.

Spinta dietro le quinte

Uno dei nuovi studi, presso la Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) di SLAC, ha esaminato sistematicamente come il "doping" - l'aggiunta di una sostanza chimica che modifica la densità degli elettroni in un materiale - influenzi la superconduttività e altre proprietà di un cuprato chiamato Bi2212.

I ricercatori che collaborano all'Istituto nazionale di scienza e tecnologia industriale avanzata (AIST) in Giappone hanno preparato campioni del materiale con livelli di doping leggermente diversi. Quindi un team guidato dal ricercatore SIMES Yu He e dallo scienziato dello staff SSRL Makoto Hashimoto ha esaminato i campioni presso SSRL con spettroscopia di fotoemissione ad angolo risolta, o ARPE. Utilizza un potente raggio di luce a raggi X per espellere i singoli elettroni da un materiale campione in modo da poterne misurare il momento e l'energia. Questo rivela cosa stanno facendo gli elettroni nel materiale.

In questo caso, all'aumentare del livello di doping, la massima temperatura superconduttiva del materiale ha raggiunto il picco e si è abbassata di nuovo, Egli ha detto.

Il team si è concentrato su campioni con proprietà superconduttive particolarmente robuste. Hanno scoperto che tre effetti intrecciati:interazioni di elettroni tra loro, con vibrazioni reticolari e con la stessa superconduttività - rinforzarsi a vicenda in un ciclo di feedback positivo quando le condizioni sono giuste, aumentando la superconduttività e aumentando la temperatura superconduttiva del materiale.

Piccoli cambiamenti nel drogaggio hanno prodotto grandi cambiamenti nella superconduttività e nell'interazione degli elettroni con le vibrazioni del reticolo, Ha detto Devereaux. Il passo successivo è capire perché questo particolare livello di doping è così importante.

"Una teoria popolare è che piuttosto che il reticolo atomico sia la fonte dell'accoppiamento elettronico, come nei superconduttori convenzionali, gli elettroni nei superconduttori ad alta temperatura formano da soli una sorta di cospirazione. Questa si chiama correlazione elettronica, " Yu He ha detto. "Per esempio, se avessi una stanza piena di elettroni, si spargerebbero. Ma se alcuni di loro richiedono più spazio individuale, altri dovranno stringersi più vicino per accoglierli."

In questo studio, Egli ha detto:"Quello che scopriamo è che il reticolo ha un ruolo dietro le quinte, dopotutto, e potremmo aver trascurato un ingrediente importante per la superconduttività ad alta temperatura negli ultimi tre decenni, " una conclusione che si riallaccia ai risultati di precedenti ricerche del gruppo SIMES.

"Onde sonore" di elettroni

L'altro studio, eseguita presso l'European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) in Francia, utilizzato una tecnica chiamata diffusione anelastica risonante di raggi X, o RIXS, osservare il comportamento collettivo degli elettroni in cuprati stratificati noti come LCCO e NCCO.

RIXS eccita gli elettroni in profondità all'interno degli atomi con i raggi X, e poi misura la luce che emettono mentre si sistemano di nuovo nei loro punti originali.

Nel passato, la maggior parte degli studi si è concentrata solo sul comportamento degli elettroni all'interno di un singolo strato di materiale cuprato, dove gli elettroni sono noti per essere molto più mobili di quanto non lo siano tra gli strati, ha affermato Wei-Sheng Lee, scienziato dello staff SIMES. Ha condotto lo studio con Matthias Hepting, che ora è al Max Planck Institute for Solid State Research in Germania.

Ma in questo caso, il team voleva testare un'idea avanzata dai teorici:l'energia generata dagli elettroni in uno strato che respingono gli elettroni nel successivo svolge un ruolo fondamentale nella formazione dello stato superconduttore.

Quando eccitato dalla luce, questa energia di repulsione porta gli elettroni a formare un'onda sonora distintiva nota come plasmone acustico, che i teorici prevedono potrebbe rappresentare fino al 20 percento dell'aumento della temperatura del superconduttore visto nei cuprati.

Con la più recente tecnologia RIXS, il team SIMES è stato in grado di osservare e misurare quei plasmoni acustici.

"Qui vediamo per la prima volta come i plasmoni acustici si propagano attraverso l'intero reticolo, " ha detto Lee. "Anche se questo non risolve la questione della provenienza dell'energia necessaria per formare lo stato superconduttore, ci dice che la stessa struttura a strati influenza il comportamento degli elettroni in modo molto profondo".

Questa osservazione pone le basi per futuri studi che manipolano le onde sonore con la luce, ad esempio, in un modo che migliora la superconduttività, ha detto Lee. I risultati sono rilevanti anche per lo sviluppo della futura tecnologia plasmonica, Egli ha detto, con una gamma di applicazioni dai sensori ai dispositivi fotonici ed elettronici per le comunicazioni.