Svelare il mistero della superconduttività alle alte temperature, in particolare nei materiali a base di ossido di rame, rimane una delle sfide più enigmatiche della moderna fisica dello stato solido. Ma un team di ricerca internazionale di ingegneri e scienziati potrebbe aver fatto un passo avanti verso la comprensione.

I superconduttori sono materiali che acquisiscono proprietà fisiche uniche quando vengono raffreddati a temperature estremamente basse. Smettono di resistere a una corrente elettrica, permettendo alla corrente di passare liberamente senza alcuna perdita di energia. I superconduttori sono utilizzati in tecnologie come macchine per risonanza magnetica, motori elettrici, sistemi di comunicazione wireless e acceleratori di particelle. Mentre migliaia di esempi di materiali superconduttori sono noti alla comunità scientifica, rimangono molte domande sul perché e come si verifica la superconduttività. Una nuova ricerca potrebbe fornire una risposta.

Un team di ricerca che include Jianshi Zhou, professore di ingegneria meccanica presso la Cockrell School of Engineering e membro dell'Università del Texas presso il Texas Materials Institute di Austin, ha confermato l'esistenza di una transizione di fase a una temperatura prossima allo zero assoluto, superiore alla temperatura necessaria per molti superconduttori, in materiali superconduttori a base di ossido di rame (o cuprato). Il team ritiene che potrebbe essere durante questa fase di transizione, il "punto critico quantistico, " quando effettivamente si verifica la superconduttività. I ​​risultati sono stati pubblicati in un recente numero della rivista Natura .

Lo studio ha misurato gli effetti del calore su due sistemi cuprati noti per essere superconduttori:Eu-LSCO e Nd-LSCO, entrambi i sistemi cristallini a base di ossido di rame. I due materiali sono stati raffreddati ai loro punti critici di temperatura mentre sono stati utilizzati grandi campi magnetici per sopprimere la loro superconduttività. Le risultanti firme termodinamiche prodotte attraverso l'esperimento hanno confermato l'esistenza della fase di "criticità quantistica" negli esempi analizzati.

"La 'criticità quantistica' era stata proposta come un potenziale fattore per facilitare la superconduttività nei sistemi cuprati, " Zhou ha detto. "Il nostro studio conferma che questo è il caso."

Zhou è l'unico ricercatore con sede negli Stati Uniti nello studio e uno dei pochi ingegneri in tutto il mondo con l'esperienza per coltivare e analizzare sistemi di cristallo cuprato, uno dei superconduttori più comunemente usati.

Gli ingegneri classificano spesso i materiali in base alla loro resistenza al flusso di correnti elettriche. Questa è una proprietà misurata osservando il comportamento degli elettroni. Metalli come il rame, un componente chiave nei cavi che collegano i caricabatterie dei nostri smartphone, microonde, lampadine e altro ancora alle prese di corrente:sono costituiti da elettroni che si muovono liberamente attorno alla sua struttura atomica. Questo offre una debole resistenza alle correnti elettriche, una proprietà che lo rende un forte conduttore.

Resistenza, non importa quanto debole, è indesiderato nei materiali conduttivi poiché l'energia utilizzata per resistere si converte in calore ed è tecnicamente sprecata. In un mondo perfetto, i cavi sarebbero realizzati con un materiale con resistenza zero alla corrente elettrica. È qui che entrano in gioco i superconduttori. Tuttavia, perché tutti i superconduttori conosciuti devono essere raffreddati a temperature estremamente basse, sono difficili da usare regolarmente in applicazioni pratiche. In definitiva, ingegneri e scienziati di tutto il mondo continuano a cercare materiali superconduttori che possono essere utilizzati a temperature molto più elevate, sperando di raggiungere la temperatura ambiente. Ogni scoperta fatta avvicina i ricercatori a un passo.

"Capire perché questi materiali diventano superconduttori ci porterà a questo Santo Graal di superconduttori a temperatura ambiente, " disse Zhou. "È solo questione di tempo, auspicabilmente."