Quarantacinque anni dopo la scoperta della superconduttività nei metalli, la fisica che l'ha originata fu finalmente spiegata nel 1957 all'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign, nella teoria della superconduttività di Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS).

Trent'anni dopo quel traguardo di riferimento, un nuovo mistero ha affrontato i fisici della materia condensata:la scoperta nel 1987 di ossido di rame o superconduttori ad alta temperatura. Ora comunemente noto come cuprati, questa nuova classe di materiali ha dimostrato una fisica che non rientrava esattamente nella teoria BCS. I cuprati sono isolanti a temperatura ambiente, ma passaggio a una fase superconduttiva a una temperatura critica molto più elevata rispetto ai tradizionali superconduttori BCS. (La temperatura critica dei cuprati può arrivare fino a 170 Kelvin, cioè -153,67°F, in contrapposizione alla temperatura critica molto più bassa di 4 Kelvin, o -452,47°F, per il mercurio, un superconduttore BCS.)

La scoperta dei superconduttori ad alta temperatura, ormai più di 30 anni fa, sembrava promettere che una serie di nuove tecnologie erano all'orizzonte. Dopotutto, la fase superconduttiva dei cuprati può essere raggiunta utilizzando azoto liquido come refrigerante, invece dell'elio liquido molto più costoso e raro necessario per raffreddare i superconduttori BCS. Ma finché l'insolito e inaspettato comportamento superconduttore di questi isolanti non sarà teoricamente spiegato, quella promessa rimane in gran parte inadempiuta.

Un'ondata di ricerca fisica sia sperimentale che teorica ha cercato di scoprire una spiegazione soddisfacente per la superconduttività nei cuprati. Ma oggi, questa rimane forse la domanda irrisolta più pressante nella fisica della materia condensata.

Ora un team di fisici teorici presso l'Institute for Condensed Matter Theory (ICMT) nel Dipartimento di Fisica dell'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign, guidato dal professore di fisica dell'Illinois Philip Phillips, ha per la prima volta risolto esattamente un modello rappresentativo del problema del cuprato, il modello Hatsugai-Kohmoto (HK) del 1992 di un isolante Mott drogato.

Il team ha pubblicato i suoi risultati online sulla rivista Fisica della natura il 27 luglio, 2020.

"A parte l'ovvia differenza nelle temperature dei superconduttori, i cuprati iniziano la loro vita come isolanti Mott, in cui gli elettroni non si muovono indipendentemente come in un metallo, ma piuttosto interagiscono fortemente, " spiega Phillips. "Sono le forti interazioni che li rendono isolanti così bene".

Nella loro ricerca, Il team di Phillips risolve esattamente l'analogo del problema dell'accoppiamento di Cooper dalla teoria BCS, ma ora per un isolante Mott drogato.

Che cos'è l'"abbinamento Cooper"? Leon Cooper ha dimostrato questo elemento chiave della teoria BCS:lo stato normale di un metallo superconduttore tradizionale è instabile per un'interazione attraente tra coppie di elettroni. Alla temperatura critica di un superconduttore BCS, Le coppie di elettroni Cooper viaggiano senza resistenza attraverso il metallo:questa è superconduttività!

"Questo è il primo documento che mostra esattamente che esiste un'instabilità di Cooper anche in un modello giocattolo di un isolante Mott drogato, " nota Phillips. "Da questo dimostriamo che esiste la superconduttività e che le proprietà differiscono drasticamente dalla teoria BCS standard. Questo problema si era dimostrato così difficile, prima del nostro lavoro era possibile solo la fenomenologia numerica o suggestiva".

Phillips attribuisce al borsista post-dottorato dell'ICMT Edwin Huang la scrittura dell'analogo della funzione d'onda BCS per lo stato superconduttore, per il problema di Mott.

"La funzione d'onda è la cosa fondamentale che devi avere per dire che un problema è risolto, " Phillips dice. "La funzione d'onda di John Robert Schrieffer si è rivelata il cavallo di battaglia computazionale dell'intera teoria BCS. Tutti i calcoli sono stati fatti con esso. Per problemi di elettroni interagenti, è notoriamente difficile scrivere una funzione d'onda. Infatti, finora sono state calcolate solo due funzioni d'onda che descrivono stati interagenti della materia, uno di Robert Laughlin nell'effetto Hall quantistico frazionario, e l'altro da Schrieffer nel contesto della teoria BCS. Quindi il fatto che Edwin sia stato in grado di farlo per questo problema è una vera impresa".

Alla domanda sul perché i cuprati si siano rivelati un tale mistero per i fisici, Phillips spiega, "Infatti, sono le interazioni forti nello stato di Mott che hanno impedito una soluzione al problema della superconduttività nei cuprati. È stato difficile persino dimostrare l'analogo del problema di accoppiamento di Cooper in qualsiasi modello di isolante Mott drogato".

La funzione d'onda dell'isolante Mott di Huang ha ulteriormente consentito a Phillips, Huang, e lo studente laureato in fisica Luke Yeo per risolvere un enigma sperimentale chiave nelle cuprate, noto come "il cambiamento di colore". A differenza dei metalli, i cuprati mostrano un aumentato assorbimento della radiazione a basse energie con una concomitante diminuzione dell'assorbimento ad alte energie. Il team di Phillips ha dimostrato che questo comportamento deriva dai resti di ciò che Phillips chiama "fisica Mott" o "Mottness" nello stato superconduttore.

Mottness è un termine coniato da Phillips per incapsulare alcune proprietà collettive degli isolanti Mott, predetto per la prima volta poco dopo la seconda guerra mondiale dal fisico britannico e premio Nobel Nevill Francis Mott.

Inoltre, i ricercatori hanno dimostrato che la densità del superfluido, che è stato osservato essere soppresso nei cuprati rispetto al suo valore nei metalli, è anche una diretta conseguenza della Mottness del materiale.

Ulteriore, Il team di Phillips è andato oltre il problema di Cooper per dimostrare che il modello ha proprietà superconduttive che esulano da quelle della teoria BCS.

"Per esempio, "Spiega Phillips, "il rapporto tra la temperatura di transizione e il gap energetico nello stato superconduttore supera di gran lunga quello della teoria BCS. Inoltre, il nostro lavoro mostra che le eccitazioni elementari nello stato superconduttore si trovano anche al di fuori del paradigma BCS in quanto derivano dall'ampia gamma di scale energetiche intrinseche allo stato di Mott".