Una nuova teoria che potrebbe spiegare come nasce la superconduttività non convenzionale in un insieme diversificato di composti potrebbe non essere mai esistita se i fisici Qimiao Si ed Emilian Nica avessero scelto un nome diverso per il loro modello del 2017 di superconduttività orbitale selettiva.

In uno studio pubblicato questo mese in npj Materiali quantistici , Si della Rice University e Nica dell'Arizona State University sostengono che la superconduttività non convenzionale in alcuni materiali a base di ferro e fermioni pesanti deriva da un fenomeno generale chiamato "accoppiamento di singoletto multiorbitale".

Nei superconduttori, gli elettroni formano coppie e fluiscono senza resistenza. I fisici non possono spiegare completamente come si formano le coppie nei superconduttori non convenzionali, dove le forze quantistiche danno luogo a comportamenti strani. fermioni pesanti, un altro materiale quantistico, presentano elettroni che sembrano essere migliaia di volte più massicci degli elettroni ordinari.

Si e Nica hanno proposto l'idea di un accoppiamento selettivo all'interno degli orbitali atomici nel 2017 per spiegare la superconduttività non convenzionale nei seleniuri di ferro alcalini. L'anno seguente, hanno applicato il modello orbitale-selettivo al materiale di fermioni pesanti in cui la superconduttività non convenzionale è stata dimostrata per la prima volta nel 1979.

Hanno pensato di nominare il modello dopo un'espressione matematica correlata resa famosa dal pioniere quantistico Wolfgang Pauli, ma ho deciso di chiamarlo d + d. Il nome si riferisce alle funzioni d'onda matematiche che descrivono gli stati quantistici.

"È come se avessi una coppia di elettroni che danzano l'uno con l'altro, " disse Si, Harry C. di Rice e Olga K. Wiess Professore di Fisica e Astronomia. "Puoi caratterizzare quella danza con s-wave, canali p-wave e d-wave, e d+d si riferisce a due diversi tipi di onde d che si fondono in una sola."

Nell'anno successivo alla pubblicazione del modello d+d, Si ha tenuto molte conferenze sul lavoro e ha scoperto che i membri del pubblico spesso confondevano il nome con "d+id, "il nome di un altro stato di accoppiamento di cui i fisici discutono da più di un quarto di secolo.

"La gente si avvicinava a me dopo una lezione e diceva:'La tua teoria di d+id è davvero interessante, ' e lo intendevano come un complimento, ma è successo così spesso che è diventato fastidioso, " disse Si, che dirige anche il Rice Center for Quantum Materials (RCQM).

A metà del 2019, Si e Nica si sono incontrati a pranzo mentre visitavano il Los Alamos National Laboratory, e ha iniziato a condividere storie sulla confusione tra d+d e d+id.

"Ciò ha portato a una discussione sul fatto che d+d potesse essere collegato a d+id in modo significativo, e abbiamo capito che non era uno scherzo, " ha detto Nica.

La connessione riguardava gli stati di accoppiamento d+d e quelli resi famosi dalla scoperta, vincitrice del premio Nobel, della superfluidità dell'elio-3.

"Esistono due tipi di stati di accoppiamento superfluido dell'elio-3 liquido, uno chiamato la fase B e l'altro la fase A, " ha detto Nica. "Empiricamente, la fase B è simile alla nostra d+d, mentre la fase A è quasi come un d+id."

L'analogia è diventata più intrigante quando hanno discusso di matematica. I fisici usano calcoli matriciali per descrivere gli stati di accoppiamento quantistico nell'elio-3, e questo vale anche per il modello d+d.

"Hai diversi modi di organizzare quella matrice, e ci siamo resi conto che la nostra matrice d+d per lo spazio orbitale era come una forma diversa della matrice d+id che descrive l'accoppiamento dell'elio-3 nello spazio di spin, " ha detto Nica.

Si ha affermato che le associazioni con gli stati di accoppiamento dell'elio-3 superfluido hanno aiutato lui e Nica ad avanzare una descrizione più completa degli stati di accoppiamento nei superconduttori sia a base di ferro che a fermioni pesanti.

"Mentre io e Emil abbiamo parlato di più, ci siamo resi conto che la tavola periodica per l'accoppiamento dei superconduttori era incompleta, "Si ha detto, riferendosi al grafico utilizzato dai fisici per organizzare gli stati di accoppiamento superconduttore.

"Usiamo simmetrie, come reticoli o disposizioni di spin, o se il tempo che si sposta in avanti rispetto a quello indietro è equivalente, che è la simmetria di inversione temporale:organizzare possibili stati di accoppiamento, " ha detto. "La nostra rivelazione è stata che d+id può essere trovato nell'elenco esistente. Puoi usare la tavola periodica per costruirlo. Ma d+d, non puoi. È oltre la tavola periodica, perché la tabella non include gli orbitali."

Si dice che gli orbitali sono importanti per descrivere il comportamento di materiali come i superconduttori a base di ferro e i fermioni pesanti, dove "correlazioni elettrone-elettrone molto forti giocano un ruolo cruciale".

"Sulla base del nostro lavoro, la tabella deve essere ampliata per includere gli indici orbitali, "Si disse.