I ricercatori della School of Physics dell'Università di Bristol hanno utilizzato alcuni dei campi magnetici continui più forti d'Europa per scoprire prove di portatori di carica esotici nello stato metallico di superconduttori ad alta temperatura di ossido di rame (cuprati ad alta Tc). I loro risultati sono stati pubblicati questa settimana in Natura . In una pubblicazione correlata su SciPost Physics la scorsa settimana, il team ha ipotizzato che siano questi portatori di carica esotici a formare le coppie superconduttrici, in netto contrasto con le aspettative della teoria convenzionale.

La superconduttività è un fenomeno affascinante in cui, al di sotto di una cosiddetta temperatura critica, un materiale perde tutta la sua resistenza alle correnti elettriche. In alcuni materiali, a basse temperature, tutti gli elettroni sono impigliati in un unico, stato quantistico macroscopico, il che significa che non si comportano più come particelle individuali ma come un collettivo, con conseguente superconduttività. La teoria generale per questo comportamento collettivo degli elettroni è nota da molto tempo, ma una famiglia di materiali, i cuprati, rifiuta di conformarsi al paradigma. Possiedono anche le più alte temperature di transizione superconduttive a pressione ambiente conosciute. Si è pensato a lungo che per questi materiali il meccanismo che 'incolla insieme' gli elettroni dovesse essere speciale, ma recentemente l'attenzione si è spostata e ora i fisici studiano gli stati non superconduttori dei cuprati, sperando di trovare indizi sull'origine della superconduttività ad alta temperatura e sulla sua distinzione dai normali superconduttori.

Superconduttività ad alta temperatura

La maggior parte dei superconduttori, quando riscaldato per superare la loro temperatura critica, trasformarsi in metalli "ordinari". L'entanglement quantistico che causa il comportamento collettivo degli elettroni svanisce, e gli elettroni iniziano a comportarsi come un normale "gas" di particelle cariche.

I cuprati sono speciali, però. in primo luogo, come menzionato sopra, perché la loro temperatura critica è notevolmente superiore a quella di altri superconduttori. In secondo luogo, hanno proprietà misurabili molto speciali anche nella loro 'fase metallica'. Nel 2009, il fisico Prof Nigel Hussey e collaboratori hanno osservato sperimentalmente che gli elettroni in questi materiali formano un nuovo tipo di struttura, diverso da quello dei metalli ordinari, stabilendo così un nuovo paradigma che gli scienziati ora chiamano lo "strano metallo". Nello specifico, la resistività alle basse temperature è risultata proporzionale alla temperatura, non in un punto singolare nel diagramma di fase della temperatura rispetto al drogaggio (come previsto per un metallo vicino a un punto critico quantistico magnetico) ma su un intervallo esteso di drogaggio. Questa criticità estesa è diventata una caratteristica distintiva della fase del "metallo strano" da cui emerge la superconduttività nei cuprati.

Magnetoresistenza in uno strano metallo

Nella prima di queste nuove relazioni, Premio di dottorato EPSRC Fellow Jakes Ayres e Ph.D. studente Maarten Berben (con sede presso HFML-FELIX a Nijmegen, Paesi Bassi) ha studiato la magnetoresistenza, il cambiamento di resistività in un campo magnetico, e ha scoperto qualcosa di inaspettato. Contrariamente alla risposta dei normali metalli, si è scoperto che la magnetoresistenza segue una risposta peculiare in cui campo magnetico e temperatura appaiono in quadratura. Tale comportamento era stato osservato in precedenza solo in un punto critico quantistico singolare, ma qui, come con la resistività di campo zero, la forma in quadratura della magnetoresistenza è stata osservata su un ampio intervallo di drogaggio. Inoltre, la forza della magnetoresistenza è risultata essere due ordini di grandezza maggiore di quanto previsto dal movimento orbitale convenzionale e insensibile al livello di disordine nel materiale nonché alla direzione del campo magnetico rispetto alla corrente elettrica. Queste caratteristiche nei dati, accoppiato con la scala in quadratura, implicava che l'origine di questa insolita magnetoresistenza non fosse il moto orbitale coerente dei vettori metallici convenzionali, ma piuttosto un non orbitale, moto incoerente da un diverso tipo di vettore la cui energia veniva dissipata alla velocità massima consentita dalla meccanica quantistica.

Dalla massima alla minima dissipazione

Il professor Hussey ha dichiarato:"Prendendo in considerazione le precedenti misurazioni dell'effetto Hall, avevamo prove convincenti per due distinti tipi di vettori nei cuprati:uno convenzionale, l'altro "strano". La domanda chiave allora era quale tipo era responsabile della superconduttività ad alta temperatura? Il nostro team guidato da Matija Čulo e Caitlin Duffy ha quindi confrontato l'evoluzione della densità dei portatori convenzionali nello stato normale e la densità della coppia nello stato superconduttore e sono giunti a una conclusione affascinante; che lo stato superconduttore nei cuprati è infatti composto da quei portatori esotici che subiscono tale massima dissipazione nello stato metallico. Questo è molto diverso dalla teoria originale della superconduttività e suggerisce che è necessario un paradigma completamente nuovo, uno in cui lo strano metallo è al centro della scena."