La superconduttività è un fenomeno in cui un circuito elettrico perde la sua resistenza e diventa estremamente efficiente in determinate condizioni. Ci sono diversi modi in cui questo può accadere, che si pensava fossero incompatibili. Per la prima volta, i ricercatori hanno scoperto un ponte tra due di questi metodi per ottenere la superconduttività. Questa nuova conoscenza potrebbe portare ad una comprensione più generale del fenomeno, e un giorno alle applicazioni.

Ci sono tre stati ben noti della materia:solido, liquido e gas. C'è un quarto stato della materia chiamato plasma, che è come un gas che è diventato così caldo che tutti i suoi atomi costituenti si sono staccati, lasciando dietro di sé un disordine incandescente di particelle subatomiche. Ma c'è un quinto stato della materia all'estremità completamente opposta del termometro noto come condensato di Bose-Einstein (BEC).

"Un BEC è uno stato unico della materia in quanto non è costituito da particelle, ma piuttosto onde, ", ha affermato il Professore Associato Kozo Okazaki dell'Istituto di Fisica dello Stato Solido dell'Università di Tokyo. "Mentre si raffreddano vicino allo zero assoluto, gli atomi di certi materiali vengono spalmati nello spazio. Questa sbavatura aumenta fino a quando gli atomi, ora più simili a onde che a particelle, si sovrappongono, diventando indistinguibili l'uno dall'altro. La materia risultante si comporta come se fosse una singola entità con nuove proprietà il solido precedente, mancavano gli stati liquidi o gassosi, come la superconduzione. Fino a poco tempo fa i BEC superconduttori erano puramente teorici, ma ora lo abbiamo dimostrato in laboratorio con un nuovo materiale a base di ferro e selenio (un elemento non metallico)."

Questa è la prima volta che un BEC è stato verificato sperimentalmente per funzionare come superconduttore; però, altre manifestazioni della materia, o regimi, può anche dar luogo a superconduzione. Il regime di Bardeen-Cooper-Shrieffer (BCS) è una disposizione della materia tale che quando viene raffreddata quasi allo zero assoluto, gli atomi costituenti rallentano e si allineano, che consente agli elettroni di passare più facilmente. Ciò porta effettivamente a zero la resistenza elettrica di tali materiali. Sia BCS che BEC richiedono condizioni di freddo gelido ed entrambi comportano il rallentamento degli atomi. Ma questi regimi sono per il resto molto diversi. Per molto tempo, i ricercatori hanno creduto che si potrebbe raggiungere una comprensione più generale della superconduzione se si potesse trovare che questi regimi si sovrappongono in qualche modo.

"Dimostrare la superconduttività dei BEC era un mezzo per raggiungere un fine; speravamo davvero di esplorare la sovrapposizione tra BEC e BCS, " ha detto Okazaki. "È stato estremamente impegnativo, ma il nostro apparato e il nostro metodo di osservazione unici lo hanno verificato:c'è una transizione graduale tra questi regimi. E questo suggerisce una teoria più generale alla base della superconduzione. È un momento emozionante per lavorare in questo campo".

Okazaki e il suo team hanno utilizzato il metodo della spettroscopia di fotoemissione basata su laser a risoluzione ultrabassa e ad alta energia per osservare il modo in cui si sono comportati gli elettroni durante la transizione di un materiale da BCS a BEC. Gli elettroni si comportano in modo diverso nei due regimi e il cambiamento tra di loro aiuta a colmare alcune lacune nel quadro più ampio della superconduzione.

Tuttavia, la superconduzione non è solo una curiosità di laboratorio; dispositivi superconduttori come gli elettromagneti sono già utilizzati nelle applicazioni, il Large Hadron Collider, il più grande acceleratore di particelle del mondo, essendo uno di questi esempi. Però, come spiegato sopra, questi richiedono temperature ultrafredde che impediscono lo sviluppo di dispositivi superconduttori che potremmo aspettarci di vedere ogni giorno. Quindi non sorprende che ci sia un grande interesse nel trovare modi per formare superconduttori a temperature più elevate, forse un giorno anche a temperatura ambiente.

"Con prove conclusive di BEC superconduttori, Penso che spingerà altri ricercatori a esplorare la superconduzione a temperature sempre più alte, " disse Okazaki. "Per ora può sembrare fantascienza, ma se la superconduzione può verificarsi vicino alla temperatura ambiente, la nostra capacità di produrre energia aumenterebbe notevolmente, e il nostro fabbisogno energetico diminuirebbe".