I fisici hanno scoperto "l'accoppiamento di elettroni, " una caratteristica distintiva della superconduttività, a temperature ed energie ben al di sopra della soglia critica in cui si verifica la superconduttività.

Doug Natelson della Rice University, co-autore corrispondente di un articolo sul lavoro in questa settimana Natura , ha detto che la scoperta di coppie di elettroni Cooper "un po' al di sopra della temperatura critica non sarà 'sorprendente da matti' per alcune persone. La cosa più strana è che sembra che ci siano due diverse scale di energia. C'è una scala di energia più alta in cui si formano le coppie, e c'è una scala di energia più bassa in cui tutti decidono di unire le mani e agire collettivamente e coerentemente, il comportamento che effettivamente determina la superconduttività."

La resistenza elettrica è così comune nel mondo moderno che la maggior parte di noi dà per scontato che i computer, smartphone ed elettrodomestici si riscaldano durante l'uso. Questo riscaldamento avviene perché l'elettricità non scorre liberamente attraverso i fili metallici e i chip di silicio all'interno dei dispositivi. Anziché, gli elettroni che scorrono occasionalmente si scontrano con gli atomi o l'uno con l'altro, e ogni collisione produce un po' di calore.

I fisici sanno dal 1911 che l'elettricità può fluire senza resistenza in materiali chiamati superconduttori. E nel 1957, hanno capito perché:in condizioni specifiche, comprese le temperature tipicamente molto fredde, gli elettroni si uniscono a coppie, cosa che normalmente è vietata a causa della loro reciproca repulsione, e a coppie, possono fluire liberamente.

"Per ottenere la superconduttività, la sensazione generale è che hai bisogno di coppie, e devi raggiungere una sorta di coerenza tra loro, " ha detto Natelson, che ha collaborato alla ricerca con esperti di Rice, Brookhaven National Laboratory e l'Università del Connecticut. "La domanda, per molto tempo, era, "Quando prendi le coppie?" Perché nei superconduttori convenzionali non appena si formano le coppie, ne seguirebbero la coerenza e la superconduttività."

Le coppie di elettroni prendono il nome da Leon Cooper, il fisico che per primo li descrisse. Oltre a spiegare la superconduttività classica, i fisici credono che le coppie di Cooper portino alla superconduttività ad alta temperatura, una variante non convenzionale scoperta negli anni '80. È stato soprannominato "alta temperatura" perché si verifica a temperature che, anche se ancora molto freddo, sono notevolmente superiori a quelli dei superconduttori classici. I fisici sognano da tempo di realizzare superconduttori ad alta temperatura che funzionino a temperatura ambiente, uno sviluppo che cambierebbe radicalmente il modo di produrre energia, spostato e utilizzato in tutto il mondo.

Ma mentre i fisici hanno una chiara comprensione di come e perché si verifica l'accoppiamento di elettroni nei superconduttori classici, lo stesso non si può dire dei superconduttori ad alta temperatura come l'ossido di rame di lantanio e stronzio (LSCO) presentato nel nuovo studio.

Ogni superconduttore ha una temperatura critica alla quale la resistenza elettrica scompare. Natelson ha affermato che le teorie e gli studi sui superconduttori di ossido di rame negli ultimi 20 anni hanno suggerito che le coppie di Cooper si formano al di sopra di questa temperatura critica e diventano coerentemente mobili solo quando il materiale viene raffreddato alla temperatura critica.

"Se è vero, e ne hai già paia a temperature più alte, la domanda è, 'Puoi anche ottenere coerenza a quelle temperature?'", ha detto Natelson. "Puoi in qualche modo convincerli a iniziare la loro danza nella regione nota come pseudogap, uno spazio delle fasi a temperature e scale energetiche più elevate rispetto alla fase superconduttiva".

Nel Natura studio, Natelson e colleghi hanno trovato prove di questo accoppiamento di energia più elevata nel rumore di conduzione in campioni di LCSO ultrapuri cresciuti nel laboratorio di Ivan Božović di Brookhaven, autore corrispondente dello studio.

"Coltiva il miglior materiale al mondo, e le nostre misurazioni e conclusioni sono state possibili solo grazie alla purezza di quei campioni, " Ha detto Natelson. "Lui e il suo team hanno realizzato dispositivi chiamati giunzioni di tunnel, e invece di guardare solo la corrente elettrica, abbiamo osservato le fluttuazioni della corrente chiamata rumore di sparo.

"Nella maggior parte dei casi, se misuri la corrente, stai misurando una media e ignorando il fatto che la corrente arriva a pezzi, " Ha detto Natelson. "È qualcosa come la differenza tra la misurazione della pioggia media giornaliera a casa tua rispetto alla misurazione del numero di gocce di pioggia che cadono in un dato momento".

Misurando la variazione della quantità discreta di carica elettrica che scorre attraverso le giunzioni LCSO, Natelson e colleghi hanno scoperto che il passaggio di singoli elettroni non poteva spiegare la quantità di carica che scorre attraverso le giunzioni a temperature e tensioni ben al di sopra della temperatura critica in cui si è verificata la superconduttività.

"Alcune delle cariche devono arrivare in pezzi più grandi, quali sono le coppie, " ha detto. "Questo è insolito, perché in un superconduttore convenzionale, una volta superata la scala energetica caratteristica associata alla superconduttività, le coppie si fanno a pezzi, e vedi solo addebiti singoli.

"Sembra che LCSO contenga un'altra scala energetica in cui le coppie si formano ma non agiscono ancora collettivamente, " Ha detto Natelson. "Le persone hanno già offerto teorie su questo genere di cose, ma questa è la prima prova diretta di ciò".

Natelson ha detto che è troppo presto per dire se i fisici possono utilizzare le nuove conoscenze per convincere le coppie a fluire liberamente a temperature più elevate in superconduttori non convenzionali. Ma Božović ha affermato che la scoperta ha "profonde implicazioni" per i fisici teorici che studiano i superconduttori ad alta temperatura e altri tipi di materia condensata.

"In un certo senso, i capitoli del libro di testo devono essere riscritti, " Božović ha detto. "Da questo studio, sembra che abbiamo un nuovo tipo di metallo, in cui una frazione significativa della corrente elettrica è trasportata da coppie di elettroni. Sul versante sperimentale, Mi aspetto che questa scoperta attiverà molto lavoro di follow-up, ad esempio, utilizzando la stessa tecnica per testare altri cuprati o superconduttori, isolanti e spessori degli strati."