Creare un materiale bidimensionale, solo pochi atomi di spessore, è spesso un processo arduo che richiede attrezzature sofisticate. Quindi gli scienziati sono rimasti sorpresi nel vedere pozzanghere 2D emergere all'interno di un superconduttore tridimensionale, un materiale che consente agli elettroni di viaggiare con un'efficienza del 100% e una resistenza zero, senza alcun suggerimento.

Dentro quelle pozzanghere, gli elettroni superconduttori si sono comportati come se fossero confinati all'interno di uno strato incredibilmente sottile, aereo simile a un foglio, una situazione che richiede loro di passare in qualche modo in un'altra dimensione, dove si applicano diverse regole della fisica quantistica.

"Questo è un esempio allettante di comportamento emergente, che è spesso difficile o impossibile da replicare cercando di ingegnerizzarlo da zero, " disse Hari Manoharan, professore alla Stanford University e ricercatore presso lo Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES) presso lo SLAC National Accelerator Laboratory del Department of Energy, che ha condotto la ricerca.

"È come se quando gli viene dato il potere di supercondurre, " Egli ha detto, "gli elettroni 3D scelgono da soli di vivere in un mondo 2D."

Il team di ricerca chiama questo nuovo fenomeno "superconduttività interdimensionale, " e in un rapporto in Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze oggi, suggeriscono che questo è il modo in cui i superconduttori 3D si riorganizzano appena prima di subire un brusco passaggio in uno stato isolante, dove gli elettroni sono confinati ai loro atomi di casa e non possono muoversi affatto.

"Abbiamo scoperto un sistema in cui gli elettroni si comportano in modi inaspettati. Questa è la bellezza della fisica, " disse Carolina Parra, un ricercatore postdottorato presso SLAC e Stanford all'epoca dello studio che ha svolto gli esperimenti che hanno portato alla visualizzazione di questo intrigante risultato. "Siamo stati molto fortunati a trovare questo comportamento".

Gli elettroni si comportano in modo strano

Sebbene la superconduttività sia stata scoperta più di un secolo fa, la sua utilità era limitata dal fatto che i materiali diventavano superconduttori solo a temperature prossime a quelle dello spazio profondo.

Quindi l'annuncio nel 1986 che gli scienziati avevano scoperto una nuova e inaspettata classe di materiali superconduttori che operava a temperature molto più elevate, anche se ancora molto fredde, ha scatenato uno tsunami di ricerche che continua ancora oggi, con l'obiettivo di capire come funzionano i nuovi materiali e sviluppare versioni che funzionino a temperatura più vicina a quella ambiente per applicazioni come linee elettriche perfettamente efficienti e treni maglev.

Questo studio è iniziato con un superconduttore ad alta temperatura chiamato BPBO per i suoi quattro ingredienti atomici:bario, guida, bismuto e ossigeno. È stato sintetizzato nel laboratorio del professore di Stanford e ricercatore SIMES Ian Fisher da Paula Giraldo-Gallo, un dottorato di ricerca studente in quel momento.

Come i ricercatori hanno sottoposto a test di routine, compresa la determinazione della temperatura di transizione alla quale si capovolge tra una fase superconduttiva e una fase isolante, come l'acqua che si trasforma in vapore o ghiaccio, si sono resi conto che i loro dati mostravano che gli elettroni si comportavano come se fossero confinati all'ultrasottile, Strati o strisce 2D all'interno del materiale. Questo era un enigma, perché BPBO è un superconduttore 3D i cui elettroni sono normalmente liberi di muoversi nella direzione che preferiscono.

Incuriosito, Il team di Manoharan ha dato un'occhiata più da vicino con un microscopio a scansione a effetto tunnel, o STM, uno strumento in grado di identificare e persino spostare singoli atomi nei primi strati atomici di un materiale.

Pozzanghere interagenti

Le strisce, Hanno scoperto, sembrava non avere alcuna relazione con il modo in cui gli atomi del materiale erano organizzati o con piccole protuberanze e avvallamenti sulla sua superficie.

"Anziché, le strisce erano strati in cui gli elettroni si comportano come se fossero confinati in 2D, aree simili a pozzanghere nel materiale, " Ha detto Parra. "La distanza tra le pozzanghere è abbastanza breve che gli elettroni possono "vedere" e interagire tra loro in un modo che consente loro di muoversi senza resistenza, che è il segno distintivo della superconduttività."

Le pozzanghere 2D sono emerse mentre gli scienziati regolavano con cura la temperatura e altre condizioni verso il punto di transizione in cui il superconduttore sarebbe diventato un isolante.

Le loro osservazioni corrispondono strettamente a una teoria della "granularità elettronica emergente" nei superconduttori, sviluppato da Nandini Trivedi della Ohio State University e colleghi.

"Le previsioni che avevamo fatto andavano contro il paradigma standard per i superconduttori, " Disse Trivedi. "Di solito, più forte è un superconduttore, maggiore è l'energia necessaria per rompere il legame tra le sue coppie di elettroni superconduttori, un fattore che chiamiamo gap energetico. Ma il mio gruppo aveva previsto che in questo particolare tipo di superconduttore disordinato, sarebbe vero il contrario:il sistema formerebbe pozzanghere emergenti dove la superconduttività era forte ma le coppie potrebbero essere spezzate con molta meno energia del previsto.

"È stato piuttosto emozionante vedere queste previsioni confermate dalle misurazioni STM del gruppo di Stanford!"

Diffondere la scienza

I risultati hanno implicazioni pratiche per la creazione di materiali 2D, ha detto Parra.

"La maggior parte dei metodi per realizzare materiali 2D sono approcci ingegneristici, come far crescere film spessi pochi strati atomici o creare un'interfaccia netta tra due materiali e confinarvi uno stato 2D, " ha detto. "Questo offre un ulteriore modo per arrivare a questi stati superconduttori 2D. È più economico, non servono attrezzature fantasiose che richiedono temperature molto basse e non ci vogliono giorni e settimane. L'unica parte difficile sarebbe ottenere la composizione giusta del materiale".

Parra ora dirige un laboratorio presso l'Università Tecnica Federico Santa María di Valparaíso, Chile, concentrandosi su studi interdisciplinari di materiali biologici su scala nanometrica. Recentemente ha vinto una borsa di studio per acquisire e utilizzare il primo microscopio a scansione a effetto tunnel a bassa temperatura in Sud America, che intende utilizzare per continuare questa linea di ricerca.

"Quando ho questa attrezzatura in laboratorio, " lei disse, "Lo collegherò a tutte le cose che ho imparato nel laboratorio di Hari e lo userò per insegnare a una nuova generazione di ricercatori che lavoreremo nel campo delle nanoscienze e delle nanotecnologie in Cile".