I superconduttori a temperatura ambiente potrebbero trasformare qualsiasi cosa, dalle reti elettriche agli acceleratori di particelle
ai computer, ma i ricercatori stanno ancora cercando di capire come funzionano questi materiali a livello atomico.

Di recente, il fisico dell'NC State Lex Kemper è stato membro di un team internazionale che ha pubblicato un articolo su Scienza sulle proprietà uniche di un materiale chiamato ossido di rame e bario ittrio, o YBCO.

Il team ha scoperto che la superconduttività di YBCO è intrecciata in modi inaspettati con un altro fenomeno noto come onde di densità di carica (CDW), o increspature nella densità degli elettroni nel materiale. Questi CDW diventano più forti quando la superconduttività di YBCO viene disattivata. Tuttavia, sono stati sorpresi di scoprire che anche i CDW sono diventati improvvisamente più organizzati nello spazio, suggerendo che la superconduttività in qualche modo modella fondamentalmente la forma dei CDW su scala nanometrica.

Che cosa significa questo? The Abstract ha chiesto a Kemper di condividere le sue intuizioni.

TA:La ricerca di superconduttori a temperatura ambiente potrebbe trasformare molte industrie. In questo articolo, hai esaminato la connessione tra superconduttività e onde di densità di carica in un materiale chiamato YBCO. Iniziamo con alcune definizioni di base:cosa dà una superconduttività materiale?

Kemper:Questa è davvero una bella domanda. Sappiamo dalla teoria BCS che la superconduttività può verificarsi perché due elettroni possono interagire indirettamente tramite vibrazioni reticolari, una specie di forza. Formano una coppia legata chiamata coppia di Cooper e quando tutti gli elettroni rilevanti nel materiale lo fanno, si ottiene uno stato chiamato superconduttività. Ora, questa teoria non è direttamente applicabile a YBCO e questo ha stimolato diversi decenni di ricerca per capire cosa sta succedendo in questi materiali. Attualmente, ciò che pensiamo è che la forza di legame sia fornita dalle fluttuazioni magnetiche nel materiale, piuttosto che dalle vibrazioni del reticolo.

TA:Che cos'è un'onda di densità di carica?

Kemper:Immagina di avere una fila di persone, tutte equidistanti, questa è la tua struttura di partenza. Ora, fai in modo che ogni gruppo di due persone si accoppi e stia leggermente più vicino:questo è il modo più semplice per vedere un'onda di densità di carica. In sostanza, è un modello aggiuntivo in aggiunta a quello che già esisteva. In YBCO, pensiamo che questo pattern aggiuntivo avvenga a causa degli elettroni che agiscono da soli, piuttosto che degli atomi coinvolti.

TA:Quando hai usato gli impulsi laser per "spegnere" la superconduttività nell'YBCO, hai notato che le onde di densità di carica sono diventate sia più forti che più organizzate, il che significa che le onde di superconduttività e densità di carica sono in qualche modo collegate su scala nanometrica. Cosa significa?

Kemper:Ciò che questo studio ha mostrato non è tanto un percorso per trovare o creare superconduttori ad alta temperatura; piuttosto, è un passo nella comprensione della fisica fondamentale in gioco. Abbiamo scoperto che la soppressione della superconduttività fa sì che le onde di densità di carica mantengano il loro schema su scale di lunghezza molto più lunghe, indicando che competono, ma in modo strutturato su scala nanometrica. Questo getta nuova luce sul problema dell'ordine coesistente/intrecciato che vediamo in questi materiali.

TA:Perché questo ordine intrecciato è considerato un "problema" o qualcosa che dobbiamo studiare ulteriormente? Semplicemente non capiamo perché/come accade? Interferisce con la nostra capacità di sfruttare determinate proprietà del materiale?

Kemper:In breve, non abbiamo una solida comprensione del motivo per cui questo materiale superconduce, perché mostra un'onda di densità di carica, per non parlare della combinazione di questi due! Un buon modo per capire qualcosa in fisica è disturbarlo leggermente e vedere come risponde (è così che funzionano quasi tutti gli esperimenti e anche come nascono molte proprietà dei materiali). In questo caso, abbiamo perturbato con un impulso laser ultraveloce e abbiamo osservato la dinamica risultante, che ci ha detto qualcosa di nuovo che non sapevamo prima. In questo caso, ha rivelato l'esistenza di una sorta di patterning su nanoscala e ha escluso molte altre opzioni di patterning (a nanoscala o meno).

TA:Quali sono i prossimi passi di questo lavoro?

Kemper:I prossimi passi consistono nel perfezionare l'esperimento e la teoria e nel cercare di trovare nuovi modi di guardare a questo problema. Più in generale, speriamo che il campo incorpori questo lavoro nel modo in cui pensa alla fisica fondamentale delle onde di densità di carica e alla superconduttività in questi materiali.

TA:Pensi che nel prossimo futuro arriveremo a superconduttori a temperatura ambiente utilizzabili?

Kemper:Questa è davvero una bella domanda. Lo spero. Quello che mi aspetto è che, se si verifica, verrà da un angolo inaspettato del vasto oceano di possibilità che non abbiamo ancora esplorato. + Esplora ulteriormente

La collaborazione rivela l'interazione tra ordine di carica e superconduttività su scala nanometrica