La ricerca di un superconduttore che possa funzionare in condizioni meno estreme di centinaia di gradi sotto lo zero o a pressioni come quelle vicino al centro della Terra è la ricerca di una nuova potenza rivoluzionaria, necessaria per le auto a levitazione magnetica e un potere ultra efficiente griglie del futuro.

Ma sviluppare questo tipo di superconduttore a "temperatura ambiente" è un'impresa che la scienza deve ancora raggiungere.

Un ricercatore dell'Università della Florida centrale, però, sta lavorando per avvicinare questo obiettivo alla realizzazione, con alcune delle sue ultime ricerche pubblicate di recente sulla rivista Fisica delle comunicazioni .

Nello studio, Yasuyuki Nakajima, un assistente professore presso il Dipartimento di Fisica dell'UCF, e i coautori hanno dimostrato di poter dare un'occhiata più da vicino a ciò che sta accadendo nei metalli "strani".

Questi metalli "strani" sono materiali speciali che mostrano un comportamento di temperatura insolito nella resistenza elettrica. Lo "strano" comportamento metallico si trova in molti superconduttori ad alta temperatura quando non sono in uno stato superconduttore, il che li rende utili agli scienziati che studiano come alcuni metalli diventano superconduttori ad alta temperatura.

Questo lavoro è importante perché la comprensione del comportamento quantistico degli elettroni nella fase metallica "strana" potrebbe consentire ai ricercatori di comprendere un meccanismo per la superconduttività a temperature più elevate.

"Se conosciamo la teoria per descrivere questi comportamenti, potremmo essere in grado di progettare superconduttori ad alta temperatura, " dice Nakajima.

I superconduttori prendono il loro nome perché sono i conduttori finali di elettricità. A differenza di un conduttore, hanno resistenza zero, quale, come un "attrito" elettronico, " fa sì che l'elettricità perda potenza mentre scorre attraverso un conduttore come il filo di rame o d'oro.

Ciò rende i superconduttori un materiale da sogno per fornire energia alle città poiché l'energia risparmiata utilizzando cavi privi di resistenza sarebbe enorme.

Potenti superconduttori possono anche far levitare magneti pesanti, aprendo la strada a automobili a levitazione magnetica pratiche e convenienti, treni e altro.

Per trasformare un conduttore in un superconduttore, il materiale metallico deve essere raffreddato ad una temperatura estremamente bassa per perdere tutta la resistenza elettrica, un processo brusco che la fisica deve ancora sviluppare una teoria completa per spiegare.

Queste temperature critiche a cui viene effettuato il passaggio sono spesso nell'intervallo da -220 a -480 gradi Fahrenheit e in genere comportano un sistema di raffreddamento costoso e ingombrante che utilizza azoto liquido o elio.

Alcuni ricercatori hanno realizzato superconduttori che funzionano a circa 59 gradi Fahrenheit, ma era anche a una pressione di oltre 2 milioni di volte quella sulla superficie terrestre.

Nello studio, Nakajima e i ricercatori sono stati in grado di misurare e caratterizzare il comportamento degli elettroni in uno stato metallico "strano" di materiale non superconduttore, una lega di ferro pnictide, vicino a un punto critico quantistico in cui gli elettroni passano dall'avere prevedibile, comportamento individuale per muoversi collettivamente in fluttuazioni quantomeccaniche che sono difficili da descrivere teoricamente per gli scienziati.

I ricercatori sono stati in grado di misurare e descrivere il comportamento degli elettroni utilizzando una miscela metallica unica in cui nichel e cobalto sono stati sostituiti dal ferro in un processo chiamato drogaggio, creando così una lega di ferro pnictide che non superconduceva fino a -459,63 gradi Fahrenheit, molto al di sotto del punto in cui un conduttore diventerebbe tipicamente un superconduttore.

"Abbiamo usato una lega, un composto relativo di superconduttore a base di ferro ad alta temperatura, in cui il rapporto tra i costituenti, ferro da stiro, cobalto e nichel in questo caso, è messo a punto in modo che non ci sia superconduttività anche vicino allo zero assoluto, " dice Nakajima. "Questo ci permette di accedere al punto critico in cui le fluttuazioni quantistiche governano il comportamento degli elettroni e studiare come si comportano nel composto".

Hanno scoperto che il comportamento degli elettroni non era descritto da alcuna previsione teorica nota, ma che la velocità di dispersione con cui gli elettroni sono stati trasportati attraverso il materiale può essere associata a quella che è nota come dissipazione di Planck, il limite di velocità quantistica sulla velocità con cui la materia può trasportare energia.

"Il comportamento critico quantistico che abbiamo osservato è piuttosto insolito e differisce completamente dalle teorie e dagli esperimenti per i materiali critici quantistici noti, " Dice Nakajima. "Il passo successivo è mappare il diagramma della fase di drogaggio in questo sistema di lega di ferro pnictide".

"L'obiettivo finale è progettare superconduttori a temperatura più elevata, " dice. "Se possiamo farlo, possiamo usarli per le scansioni di risonanza magnetica, levitazione magnetica, reti elettriche, e altro ancora, con costi contenuti».

Sbloccare modi per prevedere il comportamento di resistenza dei metalli "strani" non solo migliorerebbe lo sviluppo dei superconduttori, ma informerebbe anche le teorie alla base di altri fenomeni a livello quantistico, Nakajima dice.

"I recenti sviluppi teorici mostrano connessioni sorprendenti tra buchi neri, gravità e teoria dell'informazione quantistica attraverso la dissipazione di Planck, "dice. "Quindi, anche la ricerca di comportamenti metallici 'strani' è diventata un tema caldo in questo contesto."