Scoperto più di 100 anni fa, la superconduttività continua ad affascinare gli scienziati che cercano di sviluppare componenti per la trasmissione di energia altamente efficiente, elettronica ultraveloce o bit quantistici per il calcolo di nuova generazione. Però, determinare cosa fa sì che le sostanze diventino o smettano di essere superconduttori rimane una questione centrale nella ricerca di nuovi candidati per questa speciale classe di materiali.

Nei potenziali superconduttori, ci possono essere diversi modi in cui gli elettroni possono organizzarsi. Alcuni di questi rafforzano l'effetto superconduttore, mentre altri lo inibiscono. In un nuovo studio, gli scienziati dell'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) hanno spiegato i modi in cui due di queste disposizioni competono tra loro e alla fine influenzano la temperatura alla quale un materiale diventa superconduttore.

Nello stato superconduttore, gli elettroni si uniscono nelle cosiddette coppie di Cooper, in cui è correlato il moto degli elettroni; in ogni momento, le velocità degli elettroni che partecipano a una data coppia sono opposte. In definitiva, il movimento di tutti gli elettroni è accoppiato - nessun singolo elettrone può fare le sue cose - il che porta al flusso di elettricità senza perdite:la superconduttività.

In genere, più forte è l'accoppiamento delle coppie e maggiore è il numero di elettroni che partecipano, maggiore sarà la temperatura di transizione superconduttiva.

I materiali che sono potenziali superconduttori ad alta temperatura non sono semplici elementi, ma sono composti complessi contenenti molti elementi. Si scopre che, oltre alla superconduttività, gli elettroni possono presentare proprietà diverse a basse temperature, compreso il magnetismo o l'ordine delle onde di densità di carica. In un'onda di densità di carica, gli elettroni formano uno schema periodico di alta e bassa concentrazione all'interno del materiale. Gli elettroni legati nell'onda di densità di carica non partecipano alla superconduttività, e i due fenomeni competono.

"Se rimuovi degli elettroni per metterli in un'onda di densità di carica, la forza del tuo effetto superconduttore diminuirà, " ha detto lo scienziato dei materiali di Argonne Ulrich Welp, un corrispondente autore dello studio.

Il lavoro del team Argonne si basa sulla consapevolezza che l'ordine delle onde di densità di carica e la superconduttività sono influenzati in modo diverso dalle imperfezioni del materiale. Introducendo il disordine, i ricercatori hanno soppresso un'onda di densità di carica, interrompendo il modello d'onda della densità di carica periodica pur avendo solo un piccolo effetto sulla superconduttività. Questo apre un modo per mettere a punto l'equilibrio tra l'ordine delle onde di densità di carica in competizione e la superconduttività.

Per introdurre disordine in modo tale da alterare lo stato d'onda di densità di carica, ma ha lasciato lo stato superconduttore in gran parte intatto, i ricercatori hanno utilizzato l'irradiazione di particelle. Colpendo il materiale con un raggio di protoni, i ricercatori hanno eliminato alcuni atomi, modificando la struttura elettronica complessiva mantenendo intatta la composizione chimica del materiale.

Per avere un'immagine del destino delle onde di densità di carica, i ricercatori hanno utilizzato la diffusione di raggi X all'avanguardia presso l'Advanced Photon Source (APS) di Argonne, una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE, e la sorgente di sincrotrone ad alta energia di Cornell. "La diffusione dei raggi X era essenziale per osservare le sottigliezze di questo ordine elettronico nel materiale, " ha detto il fisico di Argonne e autore dello studio Zahir Islam. "Abbiamo scoperto che una concentrazione diluita di atomi disordinati ha davvero diminuito l'onda di densità di carica per aumentare la superconduttività".

Secondo l'Islam, mentre l'attuale brillantezza dell'APS ha consentito studi sistematici di onde di densità di carica da minuscoli campioni di cristallo singolo nonostante la sua forza di dispersione relativamente debole, l'imminente aggiornamento pianificato della struttura offrirà ai ricercatori la massima sensibilità per osservare questi fenomeni. Per di più, Egli ha detto, gli scienziati trarranno beneficio dallo studio di questi materiali in ambienti estremi, in particolare, sotto campi magnetici elevati per far pendere la bilancia a favore delle onde di densità di carica per ottenere le necessarie intuizioni sulla superconduttività ad alta temperatura.

Nella ricerca, gli scienziati hanno studiato un materiale chiamato ossido di rame e bario di lantanio (LBCO). In questo materiale, la temperatura del superconduttore è scesa quasi allo zero assoluto (-273 gradi Celsius) quando il materiale ha raggiunto una certa composizione chimica. Però, per composizioni strettamente correlate, la temperatura di transizione è rimasta relativamente alta. Gli scienziati ritengono che questo effetto della superconduttività agghiacciante sia dovuto alla presenza di onde di densità di carica e che la soppressione dell'onda di densità di carica potrebbe indurre temperature di transizione ancora più elevate.

Con onde di densità di carica alterate dal disordine, la superconduttività ne trae vantaggio, Wai-Kwong Kwok, Argonne Distinguished Fellow e autore dello studio, spiegato. "Dal punto di vista del superconduttore, il nemico del mio nemico è veramente mio amico, " Egli ha detto.

Un documento basato sullo studio, "Il disturbo aumenta la temperatura critica di un superconduttore cuprato, " apparso nel numero online del 13 maggio del Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze .