Ai ricercatori del settore, sono conosciuti come "metalli cattivi, ' ma non sono poi così male. Infatti, sono i migliori superconduttori perché sono in grado di condurre corrente con la massima efficienza e senza resistenza fino alle alte temperature. Questo è stato visto sperimentalmente. Eppure il loro comportamento rimane un mistero. Le forze repulsive tra gli elettroni in questi materiali sono molto più forti che nei superconduttori a bassa temperatura:quindi come fanno le particelle con la stessa carica a superare queste forze e riescono ad accoppiarsi e a trasportare corrente come avviene nei superconduttori "tradizionali"?

Un team di ricercatori della SISSA di Trieste in collaborazione con la Vienna University of Technology ha trovato una possibile, risposta sorprendente. Secondo lo studio pubblicato su Lettere di revisione fisica , in questi materiali gli elettroni si trasformerebbero in nuovi oggetti, con un carattere senza precedenti che permetterebbe loro di accoppiarsi e quindi di supercondurre la corrente. Nella loro ricerca, i ricercatori hanno anche dimostrato la particolarità di un nuovo tipo di metalli cattivi, chiamati 'metalli di Hund, ' importante per una classe di materiali a base di ferro. Gli scienziati ritengono che questi materiali siano particolarmente interessanti perché sono superconduttori e piuttosto malleabili, che li rende altamente adatti alle applicazioni tecnologiche.

Superconduttori a bassa temperatura

"I superconduttori sono materiali interessanti perché nascondono molti misteri che rimangono irrisolti e, allo stesso tempo, offrono un incredibile potenziale applicativo, " spiega Laura Fanfarillo, Angelo Valli e Massimo Capone, autori della ricerca. Sono composti chimici che, al di sotto di una temperatura critica, condurre elettricità senza alcuna resistenza, quindi senza dissipazione del calore. È facile immaginare le loro potenzialità in campo tecnologico. Se non fosse per molti di loro, cosiddetti superconduttori a bassa temperatura, la superconduttività appare a temperature molto vicine allo zero assoluto, rendendo il loro utilizzo complicato e molto costoso. Però, ci sono anche superconduttori ad alta temperatura, come i metalli cattivi, la cui temperatura critica, anche se ben al di sotto dello zero, richiedono un raffreddamento molto meno complicato e costoso. Per questa ragione, questi materiali sono considerati i superconduttori più interessanti da esplorare per fare luce sulle caratteristiche fisiche che li rendono così speciali.

"Eppure si muovono (insieme)"

I ricercatori spiegano che, "Nei superconduttori a bassa temperatura sappiamo che la superconduttività è il risultato dell'accoppiamento di elettroni che superano la repulsione a causa della loro carica negativa grazie a un 'mediatore'. Una volta organizzati in coppie gli elettroni iniziano a muoversi coerentemente e a trasportare corrente elettrica senza incontrare alcuna resistenza.Nei metalli cattivi, la repulsione di Coulomb, cui sono soggetti gli elettroni, è molto più forte che nei metalli tradizionali. Questa repulsione, in teoria, dovrebbe impedire ancora più decisamente la formazione di queste coppie e il trasporto della supercorrente." E' qui che sorge la domanda:"Poiché sappiamo che l'accoppiamento tra gli elettroni è il meccanismo alla base della superconduzione e che, almeno in questo caso, c'è un mediatore, resta da capire come i metalli cattivi siano superconduttori così buoni. Con i nostri calcoli, abbiamo cercato di far luce su questo intrigante mistero".

Quasiparticelle per condurre elettricità

Quello che gli scienziati hanno scoperto è che sono proprio le caratteristiche che, a uno sguardo superficiale, li renderebbe i peggiori candidati possibili, che trasformano questi materiali in superconduttori così potenti. In questi materiali, gli elettroni si trasformano in peculiari quasiparticelle le cui caratteristiche sono in realtà molto più compatibili con l'appaiamento, giustificando così il loro comportamento sperimentale. Però, non finisce qui:"In questo lavoro abbiamo anche dimostrato che un nuovo tipo di metallo cattivo caratterizzato da un peculiare tipo di repulsione, chiamato 'Hund's metal, ' apre interessanti prospettive nel campo della superconduttività. I nostri risultati, " concludono gli scienziati "spiegano in modo accurato ed elegante una quantità di prove sperimentali nella classe dei superconduttori ferrosi, un tipo relativamente nuovo di materiale scoperto nel 2008, ma le cui proprietà senza precedenti sono ancora un campo di indagine pieno di domande per gli scienziati".