Una scoperta sorprendente alla TU Wien potrebbe aiutare a risolvere l'enigma della superconduttività ad alta temperatura:un famoso "metallo strano" si è rivelato essere un superconduttore.

A basse temperature, alcuni materiali perdono la loro resistenza elettrica e conducono elettricità senza alcuna perdita:questo fenomeno di superconduttività è noto dal 1911, ma non è ancora del tutto compreso. Ed è un peccato, perché trovare un materiale che avrebbe comunque proprietà superconduttive anche ad alte temperature scatenerebbe probabilmente una rivoluzione tecnologica.

Una scoperta fatta alla TU Wien (Vienna) potrebbe essere un passo importante in questa direzione:un team di fisici dello stato solido ha studiato un materiale insolito, un cosiddetto "metallo strano" fatto di itterbio, rodio e silicio. Strani metalli mostrano un'insolita relazione tra resistenza elettrica e temperatura. Nel caso di questo materiale, questa correlazione è riscontrabile in un intervallo di temperature particolarmente ampio, e il meccanismo sottostante è noto. Contrariamente alle ipotesi precedenti, ora si scopre che questo materiale è anche un superconduttore e che la superconduttività è strettamente correlata allo strano comportamento del metallo. Questa potrebbe essere la chiave per comprendere la superconduttività ad alta temperatura anche in altre classi di materiali.

Strano metallo:relazione lineare tra resistenza e temperatura

Nei metalli ordinari, la resistenza elettrica alle basse temperature aumenta con il quadrato della temperatura. In alcuni superconduttori ad alta temperatura, però, la situazione è completamente diversa:alle basse temperature, al di sotto della cosiddetta temperatura di transizione superconduttiva, non mostrano alcuna resistenza elettrica, e al di sopra di questa temperatura la resistenza aumenta linearmente invece che quadraticamente con la temperatura. Questo è ciò che definisce "metalli strani".

"Si è quindi già sospettato negli ultimi anni che questa relazione lineare tra resistenza e temperatura sia di grande importanza per la superconduttività, " afferma la prof.ssa Silke Bühler-Paschen, che dirige l'area di ricerca "Quantum Materials" presso l'Istituto di fisica dello stato solido della TU Wien. "Ma sfortunatamente, fino ad ora non conoscevamo un materiale adatto per studiarlo in modo approfondito." Nel caso dei superconduttori ad alta temperatura, la relazione lineare tra temperatura e resistenza è solitamente rilevabile solo in un intervallo di temperatura relativamente piccolo, e, per di più, vari effetti che inevitabilmente si verificano a temperature più elevate possono influenzare questa relazione in modi complicati.

Sono già stati condotti molti esperimenti con un materiale esotico (YbRh2Si2) che mostra uno strano comportamento del metallo in un intervallo di temperatura estremamente ampio, ma, sorprendentemente, nessuna superconduttività sembrava emergere da questo stato estremo di "metallo strano". "Sono già state avanzate considerazioni teoriche per giustificare il motivo per cui la superconduttività non è semplicemente possibile qui, ", afferma Silke Bühler-Paschen. "Tuttavia, abbiamo deciso di dare un'altra occhiata a questo materiale."

Temperature da record

A TU Vienna, è disponibile un laboratorio a bassa temperatura particolarmente potente. "Lì possiamo studiare i materiali in condizioni più estreme di quanto altri gruppi di ricerca siano stati in grado di fare finora, " spiega Silke Bühler-Paschen. Innanzitutto, il team è stato in grado di dimostrare che in YbRh2Si2 la relazione lineare tra resistenza e temperatura esiste in un intervallo di temperatura ancora più ampio di quanto si pensasse in precedenza, e poi hanno fatto la scoperta chiave:a temperature estremamente basse di un solo millikelvin, lo strano metallo si trasforma in un superconduttore.

"Questo rende il nostro materiale ideale per scoprire in che modo lo strano comportamento del metallo porta alla superconduttività, " dice Silke Bühler-Paschen.

Paradossalmente, il fatto stesso che il materiale diventi superconduttore solo a temperature molto basse assicura che possa essere utilizzato per studiare la superconduttività ad alta temperatura particolarmente bene:"I meccanismi che portano alla superconduttività sono visibili particolarmente bene a queste temperature estremamente basse perché non sono ricoperti da altri effetti in questo regime.Nel nostro materiale, questa è la localizzazione di alcuni degli elettroni di conduzione in un punto critico quantistico. Ci sono indicazioni che un meccanismo simile possa essere responsabile anche del comportamento di superconduttori ad alta temperatura come i famosi cuprati, " dice Silke Bühler-Paschen.