Un team internazionale guidato da ricercatori dell'Università di Princeton ha osservato direttamente un sorprendente effetto quantistico in un superconduttore contenente ferro ad alta temperatura.

I superconduttori conducono elettricità senza resistenza, rendendoli preziosi per la trasmissione di elettricità a lunga distanza e molte altre applicazioni di risparmio energetico. I superconduttori convenzionali funzionano solo a temperature estremamente basse, ma alcuni materiali a base di ferro scoperti circa un decennio fa possono supercondurre a temperature relativamente elevate e hanno attirato l'attenzione dei ricercatori.

Il modo esatto in cui si forma la superconduttività nei materiali a base di ferro è un mistero, tanto più che il magnetismo del ferro sembrerebbe in conflitto con l'emergere della superconduttività. Una comprensione più profonda dei materiali non convenzionali come i superconduttori a base di ferro potrebbe portare a nuove applicazioni per le tecnologie di risparmio energetico di prossima generazione.

I ricercatori hanno sondato il comportamento dei superconduttori a base di ferro quando vengono aggiunte impurità, vale a dire atomi di cobalto, per esplorare come si forma e si dissipa la superconduttività. Le loro scoperte hanno portato a nuove intuizioni su una teoria vecchia di 60 anni su come si comporta la superconduttività. Lo studio è stato pubblicato sulla rivista Lettere di revisione fisica questa settimana.

L'aggiunta di impurità è un modo utile per conoscere il comportamento dei superconduttori, disse il signor Zahid Hasan, l'Eugene Higgins Professore di Fisica all'Università di Princeton, che ha guidato il gruppo di ricerca. "È come il modo in cui sondare il comportamento ondulatorio dell'acqua nel lago lanciando un sasso, " ha detto. "Il modo in cui le proprietà superconduttive reagiscono all'impurità rivela i loro segreti con dettagli a livello quantistico".

Un'idea di vecchia data nota come teorema di Anderson prevede che sebbene l'aggiunta di impurità possa introdurre disordine in un superconduttore, in molti casi, non distruggerà la superconduttività. Il teorema è stato formulato nel 1959 dal fisico premio Nobel Philip Anderson, Joseph Henry Professore di Fisica di Princeton, Emerito. Ma ci sono sempre eccezioni alla regola.

Il cobalto sembra essere una di queste eccezioni. Contrariamente alla teoria, l'aggiunta di cobalto costringe il superconduttore a base di ferro a perdere la sua capacità di superconduttore e diventare come un normale metallo, in cui l'elettricità scorre con resistenza e spreca la sua energia sotto forma di calore.

Fino ad ora, non è stato chiaro come ciò accada.

Per esplorare questo fenomeno, il team di ricercatori di Princeton ha utilizzato una tecnica nota come microscopia a scansione tunnel, che è in grado di visualizzare i singoli atomi, studiare un superconduttore a base di ferro a base di litio, ferro e arsenico.

Hanno introdotto impurità non magnetiche sotto forma di atomi di cobalto nel superconduttore per vedere come si comportava.

I ricercatori hanno misurato un gran numero di campioni a temperature estremamente basse, circa meno 460 gradi Fahrenheit (400 gradi milliKelvin), che è più freddo dello spazio esterno di quasi dieci gradi Fahrenheit. In queste condizioni, i ricercatori hanno localizzato e identificato ogni atomo di cobalto nel reticolo cristallino, e poi misurato direttamente l'effetto che ha avuto sulla superconduttività sia su scala atomicamente locale che sulle proprietà superconduttive globali del campione.

Per fare questo, i ricercatori hanno studiato oltre 30 cristalli in otto diverse concentrazioni a queste temperature estremamente basse con una risoluzione a livello atomico. "Non c'è alcuna garanzia che un dato cristallo ci fornisca i dati di alta qualità di cui abbiamo bisogno, " ha detto Songtian Sonia Zhang, uno studente laureato e co-primo autore dello studio.

Come risultato di questo vasto esperimento, il team ha scoperto che ogni atomo di cobalto ha un impatto locale limitato che svanisce a uno o due atomo di distanza dall'impurità. Però, c'è un forte, evoluzione sistematica attraverso una fase di transizione verso una normale, stato non superconduttore all'aumentare della concentrazione di cobalto. La superconduttività viene infine completamente distrutta introducendo più atomi di cobalto.

La superconduttività è dovuta all'accoppiamento di due elettroni per formare un singolo stato quantistico descritto da una proprietà nota come funzione d'onda. Questo accoppiamento consente agli elettroni di sfrecciare attraverso un materiale senza la tipica resistenza che si verifica nei metalli di tutti i giorni. L'energia minima richiesta per disperdere gli elettroni e rompere le coppie è chiamata "gap energetico superconduttore".

Quando si aggiungono atomi di cobalto, la forza di dispersione può essere descritta in due modi:il limite forte (o unitario) e il limite debole (o Born). Scattering al limite Born, prende il nome dal fisico Max Born, ha il potenziale più debole per disturbare le funzioni d'onda degli elettroni che sono cruciali per l'interazione elettrone-elettrone e quindi l'accoppiamento elettronico.

Sostituendo gli atomi di ferro, gli atomi di cobalto si comportano come diffusori di Born-limit. Sebbene gli scatterer Born-limit abbiano un potenziale relativamente debole di interrompere la superconduttività, quando molti si combinano possono distruggere la superconduttività.

I ricercatori hanno scoperto che per il materiale di arseniuro di ferro e litio, lo scattering al limite di Born è apparentemente in grado di violare il teorema di Anderson, che porta a una transizione di fase quantistica da uno stato superconduttore a uno non superconduttore.

I materiali superconduttori possono essere descritti da una caratteristica nota come spettro tunneling, che fornisce una descrizione del comportamento degli elettroni in un materiale e funge da profilo di distribuzione dell'energia di un elettrone. Il materiale di arseniuro di ferro e litio ha quello che è noto come un gap "onda S" caratterizzato da un fondo piatto "a forma di U" nel gap energetico superconduttore. Un gap superconduttore completamente aperto indica la qualità dei materiali superconduttori.

In una svolta sorprendente, le impurità di cobalto non solo sopprimono la superconduttività, cambiano anche la natura del divario mentre si evolve da una forma a U in una forma a V. La forma del gap superconduttore di solito riflette il "parametro d'ordine, " che descrive la natura della superconduttività. Tale forma è caratteristica dei parametri d'ordine che si verificano solo in un numero unico di superconduttori ad alta temperatura e suggerisce un comportamento estremamente non convenzionale.

La trasformazione apparente attraverso una modifica del parametro d'ordine (ad esempio, riflessa nelle misurazioni dal cambiamento nella forma del gap superconduttore) non fa che aumentare il puzzle quantistico.

Questa evoluzione è insolita e ha spinto i ricercatori ad approfondire la loro indagine. Combinando calcoli teorici con misurazioni magnetiche, sono stati in grado di confermare la natura non magnetica della diffusione del cobalto.

Poiché il teorema di Anderson afferma che le impurità non magnetiche dovrebbero avere scarso effetto su questo tipo di superconduttore, i ricercatori si sono resi conto che doveva essere sviluppata una teoria alternativa.

Nei superconduttori a base di ferro, gli scienziati hanno ipotizzato che ci sia un cambiamento di segno per la fase del parametro d'ordine superconduttore in diverse "sacche di Fermi", i contorni di energia che si formano a causa delle regole con cui gli elettroni occupano la struttura cristallina.

"Ingenuamente, la distinzione tra superconduttività convenzionale e superconduttività che cambia segno richiede una misurazione sensibile alla fase del parametro d'ordine superconduttore, che può essere estremamente impegnativo, " ha detto Ilya Belopolski, un ricercatore post-dottorato nel gruppo di Hasan e coautore dello studio. "Un bell'aspetto del nostro esperimento è che, considerando le violazioni del teorema di Anderson, possiamo aggirare questa esigenza."

Infatti, il team ha scoperto che introducendo un tale cambiamento di segno nel parametro d'ordine della superconduttività, sono stati in grado di riprodurre la strana evoluzione delle impurità di cobalto. Andando oltre questi calcoli iniziali, il team ha impiegato altri tre metodi teorici all'avanguardia per dimostrare l'impatto dei diffusori di cobalto non magnetici su questo superconduttore che cambia segno.

"Il fatto che tre diversi modelli teorici puntino tutti alla stessa spiegazione dimostra che questa è una conclusione robusta, " disse Jia-Xin Yin, un associato di ricerca post-dottorato e un altro co-primo autore dello studio. Nella ricerca per risolvere i misteri della superconduttività, vengono sviluppati modelli complicati che non sempre concordano tra loro. In questo caso, Yin ha detto, "i risultati indipendenti dal modello stabiliscono inequivocabilmente che si tratta di un superconduttore esotico che cambia i segni non originariamente considerato dal lavoro di Anderson".