Per anni, i fisici hanno ipotizzato che Cooper accoppia, i duo di elettroni che consentono ai superconduttori di condurre elettricità senza resistenza, erano pony a due trucchi. Le coppie o scivolano liberamente, creando uno stato superconduttore, o creare uno stato isolante inceppandosi all'interno di un materiale, incapace di muoversi affatto.

Ma in un nuovo articolo pubblicato su Scienza , un team di ricercatori ha dimostrato che le coppie Cooper possono anche condurre elettricità con una certa quantità di resistenza, come fanno i metalli normali. I risultati descrivono uno stato della materia completamente nuovo, dicono i ricercatori, che richiederà una nuova spiegazione teorica.

"Ci sono state prove che questo stato metallico si sarebbe verificato nei superconduttori a film sottile mentre venivano raffreddati verso la loro temperatura di superconduttori, ma se quello stato coinvolgesse o meno le coppie Cooper era una questione aperta, " ha detto Jim Valles, un professore di fisica alla Brown University e l'autore corrispondente dello studio. "Abbiamo sviluppato una tecnica che ci consente di testare questa domanda e abbiamo dimostrato che, infatti, Le coppie Cooper sono responsabili del trasporto della carica in questo stato metallico. La cosa interessante è che nessuno è abbastanza sicuro a un livello fondamentale di come lo fanno, quindi questa scoperta richiederà un po' più di lavoro teorico e sperimentale per capire esattamente cosa sta succedendo".

Le coppie Cooper prendono il nome da Leon Cooper, un professore di fisica alla Brown che ha vinto il Premio Nobel nel 1972 per aver descritto il loro ruolo nel consentire la superconduttività. La resistenza viene creata quando gli elettroni si muovono nel reticolo atomico di un materiale mentre si muovono. Ma quando gli elettroni si uniscono per diventare coppie di Cooper, subiscono una trasformazione notevole. Gli elettroni da soli sono fermioni, particelle che obbediscono al principio di esclusione di Pauli, il che significa che ogni elettrone tende a mantenere il proprio stato quantico. coppie di bottaio, però, agire come bosoni, che possono felicemente condividere lo stesso stato. Quel comportamento bosonico consente alle coppie di Cooper di coordinare i loro movimenti con altri gruppi di coppie di Cooper in un modo che riduce la resistenza a zero.

Nel 2007, Valle, lavorando con il professore di fisica e ingegneria Brown Jimmy Xu, ha mostrato che le coppie di Cooper potrebbero anche produrre stati isolanti e superconduttività. In materiali molto sottili, piuttosto che muoversi di concerto, le coppie cospirano per restare al loro posto, arenato su minuscole isole all'interno di un materiale e incapace di saltare all'isola successiva.

Per questo nuovo studio, Valle, Xu e colleghi in Cina hanno cercato coppie di Cooper nello stato metallico non superconduttore usando una tecnica simile a quella che ha rivelato gli isolanti delle coppie di Cooper. La tecnica prevede la modellazione di un superconduttore a film sottile, in questo caso un superconduttore ad alta temperatura, ossido di ittrio bario e rame (YBCO), con matrici di minuscoli fori. Quando il materiale è attraversato da una corrente ed è esposto a un campo magnetico, i portatori di carica nel materiale orbiteranno attorno ai fori come l'acqua che circonda uno scarico.

"Possiamo misurare la frequenza con cui queste cariche circolano, " ha detto Valles. "In questo caso, abbiamo scoperto che la frequenza è coerente con il fatto che ci sono due elettroni che girano alla volta invece di uno solo. Quindi possiamo concludere che i portatori di carica in questo stato sono coppie di Cooper e non singoli elettroni".

L'idea che le coppie di Cooper simili a bosoni siano responsabili di questo stato metallico è una sorpresa, dicono i ricercatori, perché ci sono elementi della teoria quantistica che suggeriscono che questo non dovrebbe essere possibile. Quindi capire cosa sta succedendo in questo stato potrebbe portare a una nuova eccitante fisica, ma saranno necessarie ulteriori ricerche.

Per fortuna, dicono i ricercatori, il fatto che questo fenomeno sia stato rilevato in un superconduttore ad alta temperatura renderà più pratiche le ricerche future. YBCO inizia la superconduzione a circa -181 gradi Celsius, e la fase metallica inizia a temperature appena superiori a quella. è piuttosto freddo, ma è molto più caldo di altri superconduttori, che sono attivi appena sopra lo zero assoluto. Quella temperatura più alta rende più facile usare la spettroscopia e altre tecniche volte a capire meglio cosa sta succedendo in questa fase metallica.

Lungo la strada, dicono i ricercatori, potrebbe essere possibile sfruttare questo stato metallico bosonico per nuovi tipi di dispositivi elettronici.

"Il problema dei bosoni è che tendono ad essere più in uno stato ondulatorio rispetto agli elettroni, quindi parliamo di loro che hanno una fase e creano interferenze più o meno allo stesso modo della luce, "Detto Valles. "Quindi potrebbero esserci nuove modalità per spostare la carica nei dispositivi giocando con l'interferenza tra i bosoni".

Ma per ora, i ricercatori sono felici di aver scoperto un nuovo stato della materia.

"La scienza è costruita sulle scoperte, "Xu ha detto, "ed è fantastico aver scoperto qualcosa di completamente nuovo."