Alcuni superconduttori a base di ferro potrebbero beneficiare di una messa a punto, secondo due studi di fisici e collaboratori della Rice University.

"Il nostro lavoro dimostra un nuovo principio di progettazione per la messa a punto dei materiali quantistici per ottenere una superconduttività non convenzionale a temperature più elevate, " disse Qimiao Si di Rice, il fisico teorico capo degli studi, che studiano modelli insoliti di superconduttività che sono stati precedentemente riportati nel seleniuro di ferro.

"Mostriamo come la nematicità, un insolito ordine elettronico, può aumentare le possibilità che la superconduttività derivi dall'accoppiamento di elettroni in orbitali specifici, " disse Si, direttore del Rice Center for Quantum Materials (RCQM) e Harry C. e Olga K. Wiess Professor of Physics and Astronomy. "L'ottimizzazione dei materiali per migliorare questo effetto potrebbe favorire la superconduttività a temperature più elevate".

La corrente elettrica riscalda il cablaggio, grazie alla spinta di innumerevoli elettroni, che perdono energia ogni volta che urtano qualcosa. Circa il 6% dell'elettricità sulle reti elettriche statunitensi viene perso a causa di questo riscaldamento, o resistenza elettrica, ogni anno. In contrasto, gli elettroni nei superconduttori formano coppie che scorrono senza sforzo, senza resistenza o calore.

Gli ingegneri sognano da tempo di sfruttare la superconduttività per l'elaborazione efficiente dal punto di vista energetico, reti elettriche e altro ancora, ma gli elettroni sono famigerati solitari, il membro più studiato di una famiglia quantistica chiamata fermioni. I fermioni sono così contrari alla condivisione dello spazio l'uno con l'altro che si sa che invece temporaneamente scompaiono. A causa della loro bizzarra natura quantistica, convincere gli elettroni a formare coppie spesso richiede condizioni estreme, come pressione intensa o temperature più fredde dello spazio profondo.

La superconduttività non convenzionale, il tipo che si verifica in materiali come il seleniuro di ferro, è diversa. Per ragioni che i fisici non possono spiegare completamente, gli elettroni nei superconduttori non convenzionali formano coppie a temperature relativamente elevate. Il comportamento è stato documentato in dozzine di materiali negli ultimi 40 anni. E mentre l'esatto meccanismo rimane un mistero, fisici come Si hanno imparato a prevedere come si comporteranno i superconduttori non convenzionali in alcune situazioni.

Nei nuovi studi, si, Lo studente laureato della Rice Haoyu Hu e i suoi collaboratori hanno utilizzato un modello teorico di "accoppiamento orbitale-selettivo" sia per spiegare i precedenti risultati sperimentali del seleniuro di ferro sia per prevedere come si comporteranno questo e altri materiali in altre circostanze. La squadra includeva Haoyu Hu, studente laureato alla Rice University, Rong Yu della Renmin University of China, Emilian Nica dell'Arizona State University e Jian-Xin Zhu del Los Alamos National Laboratory. Nel suo modello, gli elettroni in alcuni gusci atomici hanno maggiori probabilità di formare coppie rispetto ad altri. Si ha detto che un modo per visualizzarlo è pensare agli orbitali atomici come corsie su un'autostrada.

"Le auto viaggiano a velocità diverse in corsie diverse, " ha detto. "Ci aspettiamo che quelli nella corsia di sinistra si muovano più velocemente, ma non è sempre così. Quando molte macchine sono in autostrada, altre corsie possono muoversi più velocemente. Gli elettroni nei superconduttori non convenzionali sono come le auto su un'autostrada affollata. Devono evitarsi l'un l'altro e possono finire per rimanere bloccati in una corsia. La sintonizzazione per l'ordine elettronico è un modo per convincere gli elettroni in orbitali specifici, proprio come i coni autostradali e le barriere che indirizzano le auto in corsie specifiche".

I superconduttori ad alta temperatura a base di ferro sono stati scoperti nel 2008, e Si e collaboratori hanno offerto una delle prime teorie per spiegarli:il loro raffreddamento in prossimità di un punto critico quantistico provoca effetti di elettroni correlati pronunciati, comportamenti che derivano e possono essere compresi solo considerando gli elettroni come un sistema collettivo piuttosto che come molti oggetti individuali.

I nuovi giornali, che è apparso in Lettere di revisione fisica ( PRL ) e Revisione fisica B ( PRB ), basarsi sulla ricerca Si condotta con Yu e Nica durante i loro studi post-dottorato e post-laurea alla Rice. Nel 2013, Si e Yu hanno dimostrato che il comportamento orbitale-selettivo potrebbe far sì che i seleniuri di ferro alcalino esibiscano contemporaneamente le caratteristiche contrastanti di entrambi i metalli e gli isolanti. Nel 2017, si, Nica e colleghi hanno dimostrato che era possibile per i seleniuri di ferro avere uno stato superconduttore in cui le coppie di elettroni associate a un orbitale di una subshell erano molto diverse da quelle di un orbitale strettamente correlato nella stessa subshell.

"Nel presente lavoro, abbiamo dimostrato che un ordine nematico aumenta drasticamente la selettività orbitale nello stato normale a temperature superiori alla temperatura di transizione superconduttiva, " ha detto Yu, autore principale di PRL carta.

Nei sistemi nematici, c'è un grado di ordine più alto in una direzione che in un'altra. In una scatola di spaghetti crudi, Per esempio, le tagliatelle sono allineate longitudinalmente ma disordinate se viste in direzione perpendicolare.

Per analizzare la natura della superconduttività in presenza dell'ordine elettronico nematico, Yu, Si e colleghi hanno analizzato il "gap superconduttore, " una misura che confronta i costi energetici associati alla rottura di coppie di elettroni nella direzione nematica e nella direzione perpendicolare. I loro calcoli hanno rivelato una grande differenza.

"I nostri risultati forniscono una comprensione naturale di risultati molto sorprendenti che sono stati recentemente riportati sulla base di accurate misurazioni del gap superconduttore nel seleniuro di ferro con la microscopia a effetto tunnel, " disse Hu, l'autore principale di PRB carta.

Si ha detto che il lavoro "fa luce sull'interazione tra l'accoppiamento orbitale-selettivo e gli ordini elettronici, che sembrano essere ingredienti importanti per la superconduttività non convenzionale sia nei superconduttori a base di ferro che in altri materiali quantistici fortemente correlati".