La superconduttività ad alta temperatura è uno dei grandi misteri della fisica. Il gruppo di ricerca di Milan Allan ha utilizzato per la prima volta un microscopio a tunnel a scansione Josephson per visualizzare le variazioni spaziali delle particelle superconduttrici, e ne ha pubblicato sulla rivista Natura .

"Uno dei misteri dei superconduttori ad alta temperatura è la possibilità di essere disomogenei. Ciò significa che la densità delle coppie di Cooper che causano la superconduttività cambia nello spazio, " dice il fisico Milan Allan di LION, 'abbiamo dimostrato che, infatti, esistono superconduttori molto disomogenei, immaginandoli per la prima volta."

La scoperta ha fruttato a Doohee Cho, Koen Bastiaans, Damianos Chatzopoulos e Allan a Nature paper, e può aiutare a spiegare la misteriosa superconduttività ad alta temperatura.

Superconduttività convenzionale, in cui un materiale conduce una corrente elettrica senza alcuna resistenza misurabile, fu scoperto nel 1911. Il fisico di Leida Heike Kamerlingh Onnes notò che la resistenza elettrica del mercurio svaniva a una temperatura di 4,2 gradi sopra lo zero assoluto.

Barche a vela

È stato strano e inaspettato, perché normalmente, elettroni che attraversano un metallo, andrà a sbattere contro atomi o irregolarità nella struttura cristallina, portando alla resistenza elettrica.

Solo nel 1957, il fenomeno è stato spiegato dai fisici Bardeen, Cooper e Schrieffer. Hanno mostrato come gli elettroni che fluiscono attraverso un cristallo possono percepirsi l'un l'altro a distanza, tramite vibrazioni nel reticolo cristallino, portandoli ad accoppiarsi e formare le cosiddette coppie Cooper.

Altro che elettroni, Le coppie di Cooper possono fondersi e formare un grande collettivo, muovendosi attraverso il cristallo. Questo collettivo è molto più grande dei singoli atomi o difetti, e non li sentirà. È un po' come l'onda gigante che scorre indisturbata in un campo di barche a vela, dove le piccole onde saranno fermate dalle singole barche.

Superconduttori ad alta temperatura

inaspettatamente, nel 1986 i fisici svizzeri Bednorz e Müller scoprirono una classe di materiali superconduttori a temperature insolitamente "calde" fino a 90 gradi sopra lo zero assoluto. Abbastanza caldo da parlare di superconduttività ad alta temperatura."

Questo promette una serie di applicazioni nella tecnologia, che vanno dalle linee elettriche praticamente senza perdite ai treni sospesi, se la temperatura critica potesse essere aumentata a temperatura ambiente.

"Ma la promessa non è stata mantenuta, " dice Allan. Alcune applicazioni stanno lentamente arrivando sul mercato, ma la temperatura critica si è bloccata, forse perché fino ad oggi, i fisici teorici non comprendono appieno la superconduttività non convenzionale, nonostante decenni di esperimenti e teorizzazioni.

Ciò che è stato conosciuto, è che le coppie Cooper in questi superconduttori sono molto più piccole e rade rispetto ai superconduttori convenzionali.

microscopio Josephson

"Sono anni che si parla di questa disomogeneità, " dice Allan. Per visualizzarlo finalmente, Il gruppo di Allan ha utilizzato un tipo speciale di microscopio a scansione a tunnel (STM), che visualizza un campione spostando una minuscola punta di ago sopra la superficie. Mentre l'ago scansiona la superficie, si misurano le proprietà locali, ottenendo un'immagine a risoluzione atomica.

Il tipo specifico di STM è chiamato Josephson-STM, in cui la punta è ricoperta di piombo superconduttore. Utilizza l'effetto Josephson:due correnti superconduttive possono attraversare un piccolo gap non conduttivo, in questo caso lo spazio tra la punta e il campione. Misurando attentamente questa corrente Josephson, si può misurare la densità delle coppie di Cooper. Utilizzando altri microscopi, può mappare contemporaneamente la coerenza delle coppie Cooper, una misura della loro stabilità.

Coppie di Bozzolo Cooper

Le immagini, ciascuno richiede circa tre giorni di scansione, hanno mostrato che la coerenza e la densità erano molto disomogenee.

Per escludere la possibilità che ciò sia causato da disomogeneità nel cristallo stesso, i fisici hanno anche immaginato gli atomi, ma questo ha prodotto uno schema completamente diverso. "Ciò mostra che la disomogeneità non è semplicemente una conseguenza del reticolo cristallino ma, invece, è una proprietà delle stesse coppie Cooper, "dice Allan.

Josephson STM era stato costruito e utilizzato prima, ma non alla risoluzione e all'affidabilità che hanno prodotto queste immagini. "È una somma di molti miglioramenti tecnici individuali, che ci ha permesso di farlo. E anche raccogliere il campione giusto." Il seleniuro di tellururo di ferro (FeTeSe) accuratamente selezionato è un superconduttore ad alta temperatura, ma relativamente semplice

Una nuova lente

I risultati possono ulteriormente aiutare i teorici, come i fisici LION Jan Zaanen e Koenraad Schalm, risolvi il mistero. Con il suo microscopio, Allan spera di indagare molto presto su altri materiali. "È come una lente nuova, un nuovo tipo di telescopio. Finalmente, possiamo osservare una proprietà chiave della superconduttività che in precedenza non si poteva vedere".