I ricercatori della Tokyo Metropolitan University hanno scoperto che i cristalli di un materiale superconduttore scoperto di recente, un calcogenuro di bismuto a strati con una struttura simmetrica a quattro volte, mostra solo una doppia simmetria nella sua superconduttività. L'origine della superconduttività in queste strutture non è ancora ben compresa; questa scoperta suggerisce una connessione con una classe enigmatica di materiali noti come superconduttori nematici e gli straordinari meccanismi attraverso i quali la superconduttività può emergere a temperature più facili da raggiungere.
I superconduttori sono materiali con resistenza elettrica nulla. Hanno già visto numerose applicazioni a potenti elettromagneti, in particolare nelle unità di risonanza magnetica (MRI) medica, dove vengono utilizzati per generare i forti campi magnetici necessari per l'imaging non invasivo ad alta risoluzione. Però, esistono barriere significative che impediscono un utilizzo più diffuso, ad es. per la trasmissione di potenza su lunghe distanze. Il più notevole è che la superconduttività convenzionale si verifica solo a temperature estremamente basse. I primi superconduttori "ad alta temperatura" furono scoperti solo nella seconda metà degli anni '80, e i meccanismi alla base del loro funzionamento sono ancora oggetto di accesi dibattiti.
Nel 2012, Il professor Yoshikazu Mizuguchi della Tokyo Metropolitan University è riuscito per la prima volta a progettare materiali a strati di calcogenuro di bismuto con strati isolanti e superconduttori alternati. (I calcogenuri sono materiali contenenti elementi del gruppo 16 della tavola periodica.) Ora, lo stesso team ha effettuato misurazioni su singoli cristalli del materiale e ha scoperto che le caratteristiche di simmetria rotazionale della struttura cristallina non sono replicate nel modo in cui la superconduttività cambia con l'orientamento.
Il materiale studiato dal gruppo consisteva in strati superconduttori fatti di bismuto, zolfo e selenio, e strati isolanti in lantanio, fluoro e ossigeno. È importante sottolineare che gli strati di calcogenuro avevano una simmetria rotazionale quadrupla (o tetragonale), cioè la stessa quando ruotati di 90 gradi. Però, quando il team ha misurato la magnetoresistenza del materiale a diversi orientamenti, hanno trovato solo una doppia simmetria, cioè la stessa quando ruotata di 180 gradi. Ulteriori analisi a diverse temperature non hanno suggerito alcuna modifica della struttura; conclusero che questa rottura di simmetria doveva derivare dalla disposizione degli elettroni nello strato.
Il concetto di fasi nematiche deriva dai cristalli liquidi, in cui disordinato, schiere amorfe di particelle simili a bastoncini possono puntare nella stessa direzione, rompere la simmetria rotazionale pur rimanendo distribuito casualmente nello spazio. Molto recentemente, è stato ipotizzato che qualcosa di simile nella struttura elettronica dei materiali, nematicità elettronica, potrebbe essere dietro l'emergere della superconduttività nei superconduttori ad alta temperatura. Questa scoperta collega chiaramente questo sistema altamente personalizzabile a superconduttori ad alta temperatura come rame e materiali a base di ferro. Il team spera che ulteriori indagini rivelino intuizioni critiche su come materiali altrimenti molto diversi diano luogo a comportamenti simili, e come funzionano.
