Fino ad ora, la storia dei materiali superconduttori è stata una storia di due tipi:s-wave e d-wave.

Ora, I ricercatori della Cornell, guidati da Brad Ramshaw, il Dick &Dale Reis Johnson Assistant Professor presso il College of Arts and Sciences, hanno scoperto un possibile terzo tipo:l'onda g.

La loro carta, "Evidenza termodinamica per un parametro d'ordine superconduttore a due componenti in Sr ₂ RuO ₄ , " pubblicato il 21 settembre in Fisica della natura . L'autore principale è il dottorando Sayak Ghosh, SM. '19.

Gli elettroni nei superconduttori si muovono insieme in quelle che sono note come coppie di Cooper. Questo "accoppiamento" conferisce ai superconduttori la loro proprietà più famosa, nessuna resistenza elettrica, perché, per generare resistenza, le coppie Cooper devono essere distrutte, e questo richiede energia.

Nei superconduttori a onde s, generalmente materiali convenzionali, come il piombo, stagno e mercurio:le coppie Cooper sono costituite da un elettrone rivolto verso l'alto e uno rivolto verso il basso, entrambi si muovono frontalmente l'uno verso l'altro, senza momento angolare netto. Negli ultimi decenni, una nuova classe di materiali esotici ha mostrato quella che viene chiamata superconduttività dell'onda d, per cui le coppie di Cooper hanno due quanti di momento angolare.

I fisici hanno teorizzato l'esistenza di un terzo tipo di superconduttore tra questi due cosiddetti stati "singlet":un superconduttore ad onda p, con un quanto di momento angolare e gli elettroni che si accoppiano con spin paralleli anziché antiparalleli. Questo superconduttore spin-tripletto sarebbe un importante passo avanti per l'informatica quantistica perché può essere usato per creare fermioni di Majorana, una particella unica che è la sua antiparticella.

Da più di 20 anni, uno dei principali candidati per un superconduttore a onda p è stato il rutenato di stronzio (Sr2RuO4), anche se la ricerca recente ha iniziato a fare buchi nell'idea.

Ramshaw e il suo team hanno deciso di determinare una volta per tutte se il rutenato di stronzio è un superconduttore a onde p altamente desiderato. Utilizzando la spettroscopia ad ultrasuoni risonanti ad alta risoluzione, hanno scoperto che il materiale è potenzialmente un tipo completamente nuovo di superconduttore:l'onda g.

"Questo esperimento mostra davvero la possibilità di questo nuovo tipo di superconduttore a cui non avevamo mai pensato prima, " Ha detto Ramshaw. "Si apre davvero lo spazio delle possibilità per ciò che un superconduttore può essere e come può manifestarsi. Se mai riusciremo a controllare i superconduttori e a usarli nella tecnologia con il tipo di controllo perfezionato che abbiamo con i semiconduttori, vogliamo davvero sapere come funzionano e in quali varietà e sapori vengono."

Come per i progetti precedenti, Ramshaw e Ghosh hanno utilizzato la spettroscopia a ultrasuoni risonanti per studiare le proprietà di simmetria della superconduttività in un cristallo di rutenato di stronzio che è stato coltivato e tagliato con precisione dai collaboratori dell'Istituto Max Planck per la fisica chimica dei solidi in Germania.

Però, a differenza dei precedenti tentativi, Ramshaw e Ghosh hanno riscontrato un problema significativo durante il tentativo di condurre l'esperimento.

"Il raffreddamento degli ultrasuoni risonanti a 1 kelvin (meno 457,87 gradi Fahrenheit) è difficile, e abbiamo dovuto costruire un apparato completamente nuovo per raggiungere questo obiettivo, " disse Gosh.

Con la loro nuova configurazione, il team di Cornell ha misurato la risposta delle costanti elastiche del cristallo, essenzialmente la velocità del suono nel materiale, a una varietà di onde sonore mentre il materiale si raffreddava attraverso la sua transizione superconduttiva a 1,4 kelvin (meno 457 gradi Fahrenheit).

"Questo è di gran lunga il dato di spettroscopia ad ultrasuoni risonante di più alta precisione mai preso a queste basse temperature, " disse Ramshaw.

Sulla base dei dati, hanno determinato che il rutenato di stronzio è quello che viene chiamato un superconduttore a due componenti, il che significa che il modo in cui gli elettroni si legano insieme è così complesso, non può essere descritto da un solo numero; ha bisogno anche di una direzione.

Precedenti studi avevano utilizzato la spettroscopia di risonanza magnetica nucleare (NMR) per restringere le possibilità di quale tipo di materiale ondulatorio potrebbe essere il rutenato di stronzio, eliminando efficacemente l'onda p come opzione.

Determinando che il materiale era bicomponente, Il team di Ramshaw non solo ha confermato questi risultati, ma ha anche mostrato che il rutenato di stronzio non era un superconduttore convenzionale a onde s o d, o.

"Gli ultrasuoni risonanti ti permettono davvero di entrare e anche se non riesci a identificare tutti i dettagli microscopici, puoi fare affermazioni generali su quali sono escluse, " disse Ramshaw. "Allora le uniche cose con cui gli esperimenti sono coerenti sono proprio queste, cose molto strane che nessuno ha mai visto prima. Uno dei quali è g-wave, il che significa momento angolare 4. Nessuno ha mai nemmeno pensato che ci sarebbe stato un superconduttore a onde g."

Ora i ricercatori possono utilizzare la tecnica per esaminare altri materiali per scoprire se sono potenziali candidati all'onda p.

Però, il lavoro sul rutenato di stronzio non è finito.

"Questo materiale è estremamente ben studiato in molti contesti diversi, non solo per la sua superconduttività, " ha detto Ramshaw. "Sappiamo che tipo di metallo è, perché è un metallo, come si comporta quando si cambia temperatura, come si comporta quando si cambia il campo magnetico. Quindi dovresti essere in grado di costruire una teoria del perché diventa un superconduttore migliore qui che in qualsiasi altro luogo".