Un team internazionale di scienziati dell'Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), l'Istituto Max Planck per la fisica chimica dei solidi, e colleghi degli Stati Uniti e della Svizzera hanno combinato con successo varie condizioni sperimentali estreme in un modo completamente unico, rivelando interessanti intuizioni sulle misteriose proprietà conduttive del metallo cristallino CeRhIn ₅ . Nel diario Comunicazioni sulla natura , riferiscono sulla loro esplorazione di regioni precedentemente inesplorate del diagramma di fase di questo metallo, che è considerato un promettente sistema modello per comprendere i superconduttori non convenzionali.

"Primo, applichiamo un sottile strato d'oro a un cristallo singolo microscopicamente piccolo. Quindi usiamo un fascio di ioni per ritagliare minuscole microstrutture. Alle estremità di queste strutture, applichiamo nastri di platino ultrasottili per misurare la resistenza lungo diverse direzioni a pressioni estremamente elevate, che generiamo con una cella di pressione a incudine diamantata. Inoltre, applichiamo campi magnetici molto potenti al campione a temperature prossime allo zero assoluto."

Per la persona media, può sembrare la fantasia stravagante di un fisico troppo zelante, ma infatti, è una descrizione effettiva del lavoro sperimentale condotto dal Dr. Toni Helm dell'High Magnetic Field Laboratory (HLD) di HZDR e dai suoi colleghi di Tallahassee, Los Alamos, Losanna e Dresda. Bene, almeno in parte, perché questa descrizione accenna solo alle molte sfide coinvolte nel combinare tali estremi contemporaneamente. Questo grande sforzo è, Certo, non fine a se stesso:i ricercatori stanno cercando di andare a fondo di alcune questioni fondamentali della fisica dello stato solido.

Il campione studiato è cer-rodio-indio-cinque (CeRhIn ₅ ), un metallo con proprietà sorprendenti che non sono ancora del tutto comprese. Gli scienziati lo descrivono come un conduttore elettrico non convenzionale con portatori di carica estremamente pesanti, in quale, a determinate condizioni, la corrente elettrica può fluire senza perdite. Si presume che la chiave di questa superconduttività risieda nelle proprietà magnetiche del metallo. Le questioni centrali indagate dai fisici che lavorano con tali sistemi di elettroni correlati includono:Come si organizzano collettivamente gli elettroni pesanti? Come può questo causare magnetismo e superconduttività? E qual è la relazione tra questi fenomeni fisici?

Una spedizione attraverso il diagramma di fase

I fisici sono particolarmente interessati al diagramma di fase del metallo, una specie di mappa le cui coordinate sono la pressione, intensità del campo magnetico, e temperatura. Se la mappa deve essere significativa, gli scienziati devono scoprire quante più posizioni possibili in questo sistema di coordinate, proprio come un cartografo che esplora un territorio sconosciuto. Infatti, il diagramma emergente non è dissimile dal terreno di un paesaggio.

Poiché riducono la temperatura a quasi quattro gradi sopra lo zero assoluto, i fisici osservano l'ordine magnetico nel campione di metallo. A questo punto, hanno una serie di opzioni:possono raffreddare ulteriormente il campione ed esporlo a pressioni elevate, forzando una transizione verso lo stato superconduttore. Se, d'altra parte, aumentano solo il campo magnetico esterno a 600, 000 volte la forza del campo magnetico terrestre, anche l'ordine magnetico è soppresso; però, il materiale entra in uno stato chiamato "elettronicamente nematico".

Questo termine è preso in prestito dalla fisica dei cristalli liquidi, dove descrive un certo orientamento spaziale di molecole con un ordine a lungo raggio su aree più grandi. Gli scienziati ipotizzano che lo stato elettronicamente nematico sia strettamente legato al fenomeno della superconduttività non convenzionale. L'ambiente sperimentale di HLD fornisce le condizioni ottimali per un progetto di misurazione così complesso. I grandi magneti generano impulsi relativamente di lunga durata e offrono spazio sufficiente per metodi di misurazione complessi in condizioni estreme.

Gli esperimenti al limite lasciano intravedere il futuro

Gli esperimenti hanno alcune caratteristiche speciali aggiuntive. Per esempio, lavorare con campi magnetici ad alto impulso crea correnti parassite nelle parti metalliche dell'apparato sperimentale, che può generare calore indesiderato. Gli scienziati hanno quindi fabbricato i componenti centrali da uno speciale materiale plastico che sopprime questo effetto e funziona in modo affidabile vicino allo zero assoluto. Attraverso la microfabbricazione mediante fasci ionici focalizzati, producono una geometria del campione che garantisce un segnale di misura di alta qualità.

"La microstrutturazione diventerà molto più importante negli esperimenti futuri. Ecco perché abbiamo portato subito questa tecnologia in laboratorio, "dice Helm, aggiungendo:"Quindi ora abbiamo modi per accedere e penetrare gradualmente in dimensioni in cui gli effetti della meccanica quantistica svolgono un ruolo importante". È anche certo che il know-how acquisito da lui e dal suo team contribuirà alla ricerca sui superconduttori ad alta temperatura o sulle nuove tecnologie quantistiche.