Interazioni magnetiche di superscambio in ossidi di metalli di transizione. Credito:Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze (2022). DOI:10.1073/pnas.2207449119
Oggi, un team internazionale di ricercatori guidato da Séamus Davis, professore di fisica all'Università di Oxford e all'University College di Cork, ha annunciato risultati che rivelano il meccanismo atomico alla base dei superconduttori ad alta temperatura. I risultati sono pubblicati in PNAS .
I superconduttori sono materiali che possono condurre elettricità con resistenza zero, in modo che una corrente elettrica possa persistere indefinitamente. Questi sono già utilizzati in varie applicazioni, inclusi scanner MRI e treni a levitazione magnetica ad alta velocità, tuttavia la superconduttività richiede in genere temperature estremamente basse, limitandone l'uso diffuso. Uno degli obiettivi principali della ricerca in fisica è lo sviluppo di superconduttori che funzionino a temperatura ambiente, che potrebbero rivoluzionare il trasporto e l'immagazzinamento dell'energia.
Alcuni materiali di ossido di rame dimostrano superconduttività a temperature più elevate rispetto ai superconduttori convenzionali, tuttavia il meccanismo alla base di ciò è rimasto sconosciuto dalla loro scoperta nel 1987.
Per indagare su questo, un team internazionale che coinvolge scienziati a Oxford, Cork in Irlanda, Stati Uniti, Giappone e Germania, ha sviluppato due nuove tecniche di microscopia. Il primo di questi ha misurato la differenza di energia tra gli orbitali degli atomi di rame e di ossigeno, in funzione della loro posizione. Il secondo metodo ha misurato l'ampiezza della funzione d'onda della coppia di elettroni (la forza della superconduttività) ad ogni atomo di ossigeno e ad ogni atomo di rame.
"Visualizzando la forza della superconduttività in funzione delle differenze tra le energie orbitali, per la prima volta in assoluto siamo stati in grado di misurare con precisione la relazione richiesta per convalidare o invalidare una delle principali teorie della superconduttività ad alta temperatura, su scala atomica ", ha affermato il professor Davis.
Come previsto dalla teoria, i risultati hanno mostrato una relazione quantitativa inversa tra la differenza di energia di trasferimento di carica tra atomi di ossigeno e rame adiacenti e la forza della superconduttività.
Secondo il team di ricerca, questa scoperta potrebbe rivelarsi un passo storico verso lo sviluppo di superconduttori a temperatura ambiente. In definitiva, questi potrebbero avere applicazioni di vasta portata che vanno da treni a levitazione magnetica, reattori a fusione nucleare, computer quantistici e acceleratori di particelle ad alta energia, per non parlare del trasferimento e dell'immagazzinamento di energia super efficienti.
Nei materiali superconduttori, la resistenza elettrica è ridotta al minimo perché gli elettroni che trasportano la corrente sono legati insieme in "coppie di Cooper" stabili. Nei superconduttori a bassa temperatura, le coppie di Cooper sono tenute insieme dalle vibrazioni termiche, ma a temperature più elevate queste diventano troppo instabili. Questi nuovi risultati dimostrano che, nei superconduttori ad alta temperatura, le coppie di Cooper sono invece tenute insieme da interazioni magnetiche, con le coppie di elettroni che si legano insieme tramite una comunicazione quantomeccanica attraverso l'atomo di ossigeno intermedio.
Il professor Davis ha aggiunto che "questo è stato uno dei problemi della ricerca fisica per quasi 40 anni. Molte persone credono che superconduttori a temperatura ambiente economici e prontamente disponibili sarebbero rivoluzionari per la civiltà umana quanto l'introduzione dell'elettricità stessa. " + Esplora ulteriormente
