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Quando alcuni materiali vengono raffreddati a una certa temperatura, perdono resistenza elettrica, diventando superconduttori.
In questo stato, una carica elettrica può scorrere indefinitamente attraverso il materiale, rendendo i superconduttori una risorsa preziosa per la trasmissione di elevati volumi di elettricità e altre applicazioni. I superconduttori trasportano l'elettricità tra Long Island e Manhattan. Sono utilizzati nei dispositivi di imaging medico come le macchine per la risonanza magnetica, negli acceleratori di particelle e nei magneti come quelli utilizzati nei treni a levitazione magnetica. Anche materiali inaspettati, come alcuni materiali ceramici, possono diventare superconduttori se raffreddati a sufficienza.
Ma gli scienziati in precedenza non avevano capito cosa accade in un materiale per renderlo un superconduttore. In particolare, non è stato precedentemente compreso come funziona la superconduttività ad alta temperatura, che si verifica in alcuni materiali di ossido di rame. Una teoria del 1966 che esaminava un diverso tipo di superconduttori postulava che gli elettroni che ruotano in direzioni opposte si legano insieme per formare quella che viene chiamata una coppia di Cooper e consentono alla corrente elettrica di passare liberamente attraverso il materiale.
Un paio di studi condotti dall'Università del Michigan hanno esaminato come funziona la superconduttività e hanno scoperto, nel primo articolo, che circa il 50% della superconduttività può essere attribuito alla teoria del 1966, ma la realtà, esaminata nel secondo articolo, è un po' più complicato. Gli studi, guidati dal recente dottorato in U-M Xinyang Dong e dal fisico U-M Emanuel Gull, sono pubblicati su Nature Physics e gli Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze.
Gli elettroni che galleggiano in un cristallo hanno bisogno di qualcosa che li leghi insieme, ha detto Gull. Una volta che hai due elettroni legati insieme, creano uno stato superconduttore. Ma cosa lega insieme questi elettroni? Gli elettroni in genere si respingono a vicenda, ma la teoria del 1966 suggerisce che in un cristallo con forti effetti quantistici, la repulsione elettrone-elettrone viene schermata, o assorbita, dai cristalli.
Mentre la repulsione degli elettroni viene assorbita dal cristallo, un'attrazione opposta emerge dalle proprietà di rotazione degli elettroni e fa sì che gli elettroni si leghino in coppie di Cooper. Ciò è alla base della mancanza di resistività elettronica. Tuttavia, la teoria non tiene conto degli effetti quantistici complessi in questi cristalli.
"Questa è una teoria molto semplice e, sai, esiste da molto tempo. Era fondamentalmente il messaggio teorico degli anni '80, '90 e 2000", ha detto Gull. "Potresti scrivere queste teorie ma non potresti davvero calcolare nulla, se lo volessi, dovresti risolvere sistemi quantistici che hanno molti gradi di libertà. E ora, il mio studente laureato ha scritto codici che fanno esattamente questo".
Per l'articolo pubblicato su Nature Physics , Dong ha sondato questa teoria utilizzando i supercomputer per applicare il cosiddetto metodo del cluster dinamico a un superconduttore a base di ossido di rame. In questo metodo, gli elettroni e le loro fluttuazioni di spin vengono calcolati insieme, consentendo ai ricercatori di fare un'analisi quantitativa delle interazioni tra gli elettroni e il loro spin.
Per fare ciò, Dong ha scrutato nelle regioni in cui il materiale diventa un superconduttore ed ha esaminato la principale quantità di fluttuazione di spin chiamata suscettibilità allo spin magnetico. Ha calcolato la suscettibilità e la regione e, insieme a Gull e Andrew Mills, fisico della Columbia University, ha analizzato la regione.
Con questa suscettibilità allo spin, i ricercatori potrebbero verificare la previsione della semplice teoria della fluttuazione dello spin. Hanno scoperto che questa teoria era coerente con l'attività di superconduttività, fino a circa il 50%. Cioè, circa la metà della superconduttività di un materiale può essere spiegata utilizzando la teoria della fluttuazione.
"Questo è un grande risultato perché da un lato abbiamo dimostrato che questa teoria funziona ma anche che in realtà non cattura tutto ciò che sta accadendo", ha detto Gull. "La domanda, ovviamente, è cosa succede all'altra metà, e questo è il luogo in cui il quadro teorico degli anni '60 era troppo semplice."
In un articolo pubblicato su PNAS , Gull e Dong esplorarono l'altra metà. Sono tornati per esaminare i sistemi di elettroni all'interno di un modello semplificato di un cristallo superconduttore. In questo cristallo di ossido di rame, ci sono strati di legami rame-ossigeno. Gli atomi di rame formano un reticolo quadrato e, in questa configurazione, a ogni atomo manca un singolo elettrone.
Quando i fisici aggiungono un elemento come lo stronzio, che condividerà un elettrone con lo strato rame-ossigeno, al materiale il materiale diventa un conduttore. In questo caso, lo stronzio è chiamato atomo drogante. Inizialmente, più portatori di carica aggiungi, più il materiale diventerà superconduttore. Ma se aggiungi troppi portatori di carica, la proprietà superconduttrice scompare.
Scrutando in questo materiale, Gull e i suoi coautori hanno esaminato non solo lo spin degli elettroni, ma anche le loro fluttuazioni di carica.
Gull afferma che le fluttuazioni utili per comprendere il sistema si manifestano in due modi:il primo è che il segnale si trova in un unico punto di impulso e il secondo è che il segnale è a bassa frequenza. Una singola eccitazione a bassa frequenza significa che c'è un'eccitazione di lunga durata che aiuta i ricercatori a vedere e descrivere il sistema.
I ricercatori hanno scoperto che le fluttuazioni antiferromagnetiche, quando gli elettroni ruotano nella direzione opposta, rappresentavano la maggior parte della superconduttività. Tuttavia, hanno anche visto fluttuazioni ferromagnetiche che hanno contrastato le fluttuazioni antiferromagnetiche, che alla fine li hanno riportati al risultato del 50%.
"Quando hai un complicato sistema a molti elettroni con molte particelle quantistiche, non c'è motivo per cui dovrebbe esserci un'immagine semplice che spieghi tutto", ha detto Gull. "In effetti, scopriamo sorprendentemente che uno scenario come la teoria del 1966 cattura un bel po' di cose, ma non tutto."
Gull afferma che i prossimi passi saranno vedere se le loro scoperte possono aiutarli a prevedere determinati tipi di spettri, o la luce riflessa, coinvolti nei superconduttori. Spera inoltre che i risultati consentano ai fisici di capire come funzionano i superconduttori e, con questa conoscenza, di progettare superconduttori migliori. + Esplora ulteriormente
