Con le fluttuazioni di spin al centro, la descrizione teorica diventa più significativa. Credito:Università della tecnologia di Vienna
A seconda della prospettiva scelta, un calcolo teorico può descrivere la fisica osservata in modo più o meno accurato. Nel 2015, Alessandro Toschi dell'Istituto di Fisica dello Stato Solido della TU Wien e il suo team, nell'ambito di una cooperazione internazionale, hanno sviluppato un metodo teorico che può essere utilizzato per determinare il modo migliore di guardare alle questioni irrisolte nella fisica dello stato solido.
Da allora, il team di ricerca ha ulteriormente sviluppato questo metodo diagnostico e recentemente lo ha applicato a superconduttori non convenzionali, insieme ai ricercatori dell'Università del Michigan ad Ann Arbor e del Max Planck Institute for Solid State Research di Stoccarda. I ricercatori hanno recentemente pubblicato i loro risultati sulla rivista scientifica Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS ).
L'idea alla base di questo metodo può essere illustrata al meglio usando un'analogia:nella meccanica classica, ci sono diversi modi per descrivere il movimento dei corpi celesti. Se consideriamo la Terra come il centro del sistema solare, ad esempio, la descrizione diventa rapidamente confusa e complicata. Ma se poniamo il sole al centro del modello, la descrizione teorica diventa molto più elegante e significativa.
La situazione è simile con i vari meccanismi concorrenti che guidano la fisica dei superconduttori non convenzionali. La loro resistenza elettrica, proprio come con i superconduttori convenzionali, scende bruscamente a zero al di sotto di un certo livello di temperatura, il che rende possibile condurre e immagazzinare elettricità senza perdite. Per realizzare questo stato speciale, gli elettroni del solido devono legarsi a coppie, nonostante la repulsione reciproca. Questo fenomeno puramente fisico quantistico può essere innescato da vari meccanismi. Mentre nei superconduttori convenzionali l'interazione tra gli elettroni e le vibrazioni atomiche gioca un ruolo centrale, questo effetto è solitamente trascurabile nei superconduttori non convenzionali. Qui, l'interazione repulsiva tra gli elettroni è di maggiore importanza.
Teoria e pratica
Per molto tempo, tuttavia, si è discusso con quale meccanismo microscopico venga superata questa repulsione tra gli elettroni e quindi si possano formare coppie:la cosiddetta "colla di accoppiamento", come spiega Alessandro Toschi. In particolare, la domanda è quale tipo di fluttuazione (ad esempio, spin o carica) tiene insieme le coppie di elettroni nei superconduttori non convenzionali. "I colleghi dell'Università del Michigan hanno quindi voluto analizzare i loro risultati per un calcolo destinato alla classe di materiali cuprati utilizzando il nostro metodo diagnostico", riferisce Toschi. Questi superconduttori non convenzionali, la cui struttura cristallina contiene anioni di rame, sono stati scoperti già nel 1986 e da allora hanno sconcertato la fisica.
La domanda centrale a cui i ricercatori volevano rispondere è in quale formulazione la fisica della superconduttività non convenzionale sia più trasparente. Ciò corrisponde a identificare quali fluttuazioni sono responsabili del legame della coppia di elettroni. "Siamo stati finalmente in grado di dimostrare che le fluttuazioni di spin (antiferromagnetiche) sono quelle che stanno dietro la fisica dei superconduttori non convenzionali. Se cambi la prospettiva e ti concentri sulle fluttuazioni di carica, d'altra parte, ottieni una rappresentazione sfocata e sostanzialmente inutile della fisica sottostante", afferma Alessandro Toschi. Per rimanere con l'analogia del sistema solare, le fluttuazioni di spin corrispondono quindi a quel sistema di riferimento in cui il sole è posto al centro.
Sebbene nel presente studio siano stati studiati solo i cuprati, molto probabilmente questi risultati possono essere trasferiti anche alla classe materiale dei nichelati, che, come i cuprati, appartengono alla classe dei superconduttori non convenzionali.
Il mistero è risolto
Con questo risultato, il team di ricerca non solo contribuisce a una migliore comprensione del meccanismo dei superconduttori non convenzionali. La consapevolezza che le fluttuazioni di spin sono il fattore decisivo rende anche possibile semplificare i futuri calcoli teorici, consentendo così previsioni più accurate. "In precedenza, il nostro metodo era solo uno strumento teorico. Facendo il collegamento pratico, il metodo è emerso come una delle applicazioni più importanti per un problema che la comunità scientifica cerca di risolvere da quasi 40 anni", riassume Alessandro Toschi . "Il nostro strumento diagnostico fornisce risposte inequivocabili a domande precedentemente aperte."
Ma la società può anche trarre vantaggio dai risultati fondamentali, da un punto di vista prospettico. Se in futuro i superconduttori potranno essere utilizzati a temperature e pressioni normali più elevate, potrebbero contribuire a risolvere il problema dell'accumulo di energia, che è un fattore limitante nell'uso delle energie rinnovabili. + Esplora ulteriormente
