I ricercatori del nordest hanno utilizzato un potente modello al computer per sondare una sconcertante classe di materiali a base di rame che possono essere trasformati in superconduttori. Le loro scoperte offrono indizi allettanti per un mistero vecchio di decenni, e un passo avanti per l'informatica quantistica.

La capacità di un materiale di far fluire l'elettricità deriva dal modo in cui sono disposti gli elettroni all'interno dei loro atomi. A seconda di queste disposizioni, o configurazioni, tutti i materiali là fuori sono isolanti o conduttori di elettricità.

Ma cuprati, una classe di materiali misteriosi costituiti da ossidi di rame, sono famosi nella comunità scientifica per avere un qualche problema di identità che può renderli sia isolanti che conduttori.

In condizioni normali, i cuprati sono isolanti:materiali che inibiscono il flusso di elettroni. Ma con modifiche alla loro composizione, possono trasformarsi nei migliori superconduttori del mondo.

La scoperta di questo tipo di superconduttività nel 1986 ha fatto vincere ai suoi scopritori un premio Nobel nel 1987, e ha affascinato la comunità scientifica con un mondo di possibilità di miglioramenti al supercalcolo e ad altre tecnologie cruciali.

Ma con fascino sono arrivati ​​30 anni di smarrimento:gli scienziati non sono stati in grado di decifrare completamente la disposizione degli elettroni che codifica per la superconduttività nei cuprati.

La mappatura della configurazione elettronica di questi materiali è probabilmente una delle sfide più difficili della fisica teorica, dice Arun Bansil, Illustre professore universitario di fisica alla Northeastern. E, lui dice, perché la superconduttività è un fenomeno strano che si verifica solo a temperature fino a -300 F (o più fredde che su Urano), capire i meccanismi che lo rendono possibile in primo luogo potrebbe aiutare i ricercatori a realizzare superconduttori che funzionino a temperatura ambiente.

Ora, un team di ricercatori che include Bansil e Robert Markiewicz, un professore di fisica alla Northeastern, presenta un nuovo modo di modellare questi strani meccanismi che portano alla superconduttività nei cuprati.

In uno studio pubblicato su Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze , il team ha previsto con precisione il comportamento degli elettroni mentre si muovono per consentire la superconduttività in un gruppo di cuprati noti come ossidi di ittrio bario rame.

In questi cuprati, lo studio rileva, la superconduttività emerge da molti tipi di configurazioni elettroniche. Ben 26 di loro, essere specifici.

"Durante questa fase di transizione, il materiale diventerà in sostanza una specie di zuppa di fasi diverse, " Dice Bansil. "La doppia personalità di questi meravigliosi materiali viene ora rivelata per la prima volta".

La fisica all'interno dei superconduttori cuprati è intrinsecamente strana. Markiewicz pensa a quella complessità come al mito indiano classico dei ciechi e dell'elefante, che è stato uno scherzo per decenni tra i fisici teorici che studiano cuprati.

Secondo il mito, i ciechi incontrano per la prima volta un elefante, e prova a capire cos'è l'animale toccandolo. Ma poiché ognuno di loro tocca solo una parte del suo corpo, il tronco, coda, o gambe, per esempio, hanno tutti un concetto diverso (e limitato) di cosa sia un elefante.

"All'inizio, guardavamo tutti [i cuprati] in modi diversi, " dice Markiewicz. "Ma lo sapevamo, presto o tardi, il modo giusto stava per presentarsi."

I meccanismi alla base dei cuprati potrebbero anche aiutare a spiegare la fisica sconcertante dietro ad altri materiali che si trasformano in superconduttori a temperature estreme, Markiewicz dice, e rivoluzionare il modo in cui possono essere utilizzati per abilitare l'informatica quantistica e altre tecnologie che elaborano i dati a velocità ultraveloci.

"Stiamo cercando di capire come si uniscono nei veri cuprati che vengono utilizzati negli esperimenti, "dice Markiewicz.

La sfida di modellare i superconduttori cuprati si riduce allo strano campo della meccanica quantistica, che studia il comportamento e il movimento dei più piccoli frammenti di materia e le strane regole fisiche che governano ogni cosa alla scala degli atomi.

In ogni dato materiale, diciamo, il metallo nel tuo smartphone:gli elettroni contenuti nello spazio di un dito potrebbero essere il numero uno seguito da 22 zeri, dice Bansil. Modellare la fisica di un numero così elevato di elettroni è stato estremamente impegnativo da quando è nato il campo della meccanica quantistica.

A Bansil piace pensare a questa complessità come a farfalle all'interno di un barattolo che volano veloci e abilmente per evitare di scontrarsi l'una con l'altra. In un materiale conduttore, anche gli elettroni si muovono. E a causa di una combinazione di forze fisiche, si evitano anche a vicenda. Queste caratteristiche sono alla base di ciò che rende difficile modellare i materiali cuprati.

"Il problema con i cuprati è che sono al confine tra l'essere un metallo e un isolante, e hai bisogno di un calcolo così buono da poter catturare sistematicamente quel crossover, " Markiewicz dice. "La nostra nuova modellazione può catturare questo comportamento."

Il team comprende ricercatori della Tulane University, Lappeenranta University of Technology in Finlandia, e Temple University. I ricercatori sono i primi a modellare gli stati elettronici nei cuprati senza aggiungere manualmente parametri ai loro calcoli, che i fisici hanno dovuto fare in passato.

Fare quello, i ricercatori hanno modellato l'energia degli atomi di ossidi di ittrio bario rame ai loro livelli più bassi. Ciò consente ai ricercatori di tracciare gli elettroni mentre si eccitano e si muovono, che a sua volta aiuta a descrivere i meccanismi che supportano la transizione critica alla superconduttività.

quel passaggio, nota come fase pseudogap nel materiale, potrebbe essere descritto semplicemente come una porta, dice Bansil. In un isolante, la struttura del materiale è come una porta chiusa che non lascia passare nessuno. Se la porta è spalancata, come sarebbe per un conduttore, gli elettroni passano facilmente.

Ma nei materiali che sperimentano questa fase di pseudogap, quella porta sarebbe leggermente aperta. La dinamica di ciò che trasforma quella porta in una porta davvero spalancata (o, superconduttore) rimane un mistero, ma il nuovo modello cattura 26 configurazioni di elettroni che potrebbero farlo.

"Con la nostra capacità di eseguire ora questo tipo di modellazione privo di parametri primari, siamo in grado di andare effettivamente oltre, e speriamo di iniziare a capire un po' meglio questa fase di pseudogap, "dice Bansil.