I superconduttori ad alta temperatura hanno il potenziale per trasformare qualsiasi cosa, dalla trasmissione di elettricità e la generazione di energia ai trasporti.

I materiali, in cui le coppie di elettroni viaggiano senza attrito, il che significa che non viene persa energia durante il movimento, potrebbe migliorare notevolmente l'efficienza energetica dei sistemi elettrici.

Capire come gli elettroni si muovono attraverso questi materiali complessi potrebbe in definitiva aiutare i ricercatori a progettare superconduttori che funzionano a temperatura ambiente, ampliando notevolmente il loro utilizzo.

Però, nonostante decenni di ricerche, si sa poco della complessa interazione tra spin e carica degli elettroni all'interno di materiali superconduttori come cuprati, o materiali contenenti rame.

Ora, in un articolo pubblicato oggi sulla rivista Scienza , i ricercatori del MIT hanno svelato un nuovo sistema in cui gli atomi ultrafreddi sono usati come modello per gli elettroni all'interno dei materiali superconduttori.

I ricercatori, guidato da Martin Zwierlein, il professore di fisica Thomas A. Frank al MIT, hanno utilizzato il sistema, che descrivono come un "emulatore quantistico, " per realizzare il modello di Fermi-Hubbard delle particelle che interagiscono all'interno di un reticolo.

Il modello di Fermi-Hubbard, che si crede spieghi la base della superconduttività ad alta temperatura, è estremamente semplice da descrivere, eppure finora si è dimostrato impossibile da risolvere, secondo Zwierlein.

"Il modello è solo atomi o elettroni che saltellano su un reticolo, poi, quando sono uno sopra l'altro sullo stesso sito reticolare, possono interagire, " dice. "Ma anche se questo è il modello più semplice di elettroni che interagiscono all'interno di questi materiali, non c'è computer al mondo che possa risolverlo."

Quindi invece, i ricercatori hanno costruito un emulatore fisico in cui gli atomi fungono da sostituti degli elettroni.

Per costruire il loro emulatore quantistico, i ricercatori hanno utilizzato raggi laser che interferiscono tra loro per produrre una struttura cristallina. Hanno quindi confinato circa 400 atomi all'interno di questo reticolo ottico, in una scatola quadrata.

Quando inclinano la scatola applicando un gradiente di campo magnetico, sono in grado di osservare gli atomi mentre si muovono, e misurare la loro velocità, dando loro la conduttività del materiale, dice Zwierlein.

"È una piattaforma meravigliosa. Possiamo guardare ogni singolo atomo individualmente mentre si muove, che è unico; non possiamo farlo con gli elettroni, " dice. "Con gli elettroni puoi misurare solo quantità medie".

L'emulatore consente ai ricercatori di misurare il trasporto, o movimento, dello spin degli atomi, e come questo è influenzato dall'interazione tra gli atomi all'interno del materiale. Finora non è stato possibile misurare il trasporto di spin nei cuprati, poiché gli sforzi sono stati inibiti da impurità all'interno dei materiali e altre complicazioni, dice Zwierlein.

Misurando il moto di rotazione, i ricercatori sono stati in grado di indagare in che modo differisce da quello gratuito.

Poiché gli elettroni portano con sé sia ​​la loro carica che la loro rotazione mentre si muovono attraverso un materiale, il moto delle due proprietà dovrebbe essenzialmente essere bloccato insieme, dice Zwierlein.

Però, la ricerca dimostra che non è così.

"Mostriamo che gli spin possono diffondersi molto più lentamente della carica nel nostro sistema, " lui dice.

I ricercatori hanno poi studiato come la forza delle interazioni tra gli atomi influenzi la capacità di rotazione dello spin, secondo lo studente laureato del MIT Matthew Nichols, l'autore principale dell'articolo.

"Abbiamo scoperto che grandi interazioni possono limitare i meccanismi disponibili che consentono agli spin di muoversi nel sistema, in modo che il flusso di spin rallenti significativamente all'aumentare delle interazioni tra gli atomi, "dice Nicolò.

Quando hanno confrontato le loro misurazioni sperimentali con calcoli teorici all'avanguardia eseguiti su un computer classico, hanno scoperto che le forti interazioni presenti nel sistema rendevano molto difficili i calcoli numerici accurati.

"Questo ha dimostrato la forza del nostro sistema di atomi ultrafreddi per simulare aspetti di un altro sistema quantistico, i materiali cuprati, e per superare quello che si può fare con un computer classico, "dice Nicolò.

Le proprietà di trasporto in materiali fortemente correlati sono generalmente molto difficili da calcolare utilizzando i computer classici, e alcuni dei più interessanti, e praticamente rilevante, materiali come i superconduttori ad alta temperatura sono ancora poco conosciuti, dice Zoran Hadzibabic, professore di fisica all'Università di Cambridge, che non è stato coinvolto nella ricerca.

"(I ricercatori) studiano il trasporto di spin, che non è solo difficile da calcolare, ma anche sperimentalmente estremamente difficile da studiare in materiali convenzionali fortemente correlati, e quindi fornire una visione unica delle differenze tra trasporto di carica e spin, "Dice Hadzibabic.

Complementare al lavoro del MIT sul trasporto di spin, il trasporto di carica è stato misurato dal gruppo del professor Waseem Bakr all'Università di Princeton, chiarire nello stesso numero di Scienza come la conduttività della carica dipende dalla temperatura.

Il team del MIT spera di condurre ulteriori esperimenti utilizzando l'emulatore quantistico. Per esempio, poiché il sistema consente ai ricercatori di studiare il movimento dei singoli atomi, sperano di indagare come il moto di ciascuno differisca da quello della media, studiare il "rumore" attuale a livello atomico.

"Finora abbiamo misurato la corrente media, ma quello che vorremmo anche fare è guardare il rumore del moto delle particelle; alcuni sono un po' più veloci di altri, quindi c'è un'intera distribuzione che possiamo conoscere, " dice Zwierlein.

I ricercatori sperano anche di studiare come il trasporto cambia con la dimensionalità passando da un foglio bidimensionale di atomi a un filo unidimensionale.

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.