La superconduttività è ben compresa nei cosiddetti superconduttori "convenzionali". Più recenti, tuttavia, sono i superconduttori non convenzionali, e non è ancora chiaro come funzionino.
Un team dell'HZDR, insieme ai colleghi del CEA, dell'Università Tohoku in Giappone e dell'Istituto Max Planck per la fisica chimica dei solidi, ha ora spiegato perché un nuovo materiale continua a essere superconduttore anche in campi magnetici estremamente elevati, una proprietà che manca nel mondo. superconduttori convenzionali. La scoperta ha il potenziale per consentire applicazioni tecnologiche precedentemente inconcepibili. Lo studio è pubblicato su Nature Communications .
"Dellururo di uranio o UTe2 in breve, è un materiale superconduttore che vola alto", afferma il dott. Toni Helm del Laboratorio di campo magnetico elevato di Dresda (HLD) presso HZDR. "Come scoperto nel 2019, il composto conduce l'elettricità senza perdite, tuttavia, in modo diverso rispetto ai superconduttori convenzionali."
Da allora, gruppi di ricerca in tutto il mondo si sono interessati al materiale. Ciò include il team di Helm, che ha fatto un passo avanti nella comprensione del complesso.
"Per apprezzare appieno l'hype che circonda il materiale, dobbiamo dare un'occhiata più da vicino alla superconduttività", spiega il fisico. "Questo fenomeno è dovuto al movimento degli elettroni nel materiale. Ogni volta che entrano in collisione con gli atomi, perdono energia sotto forma di calore. Ciò si manifesta come resistenza elettrica. Gli elettroni possono evitare questo organizzandosi in formazioni di coppie, le cosiddette coppie di Cooper ."
Una coppia di Cooper descrive due elettroni combinati a basse temperature per muoversi attraverso un solido senza attrito. Usano le vibrazioni atomiche che li circondano come una sorta di onda su cui possono navigare senza perdere energia. Queste vibrazioni atomiche spiegano la superconduttività convenzionale.
"Da alcuni anni però sono noti anche superconduttori in cui si formano coppie di Cooper per effetti non ancora del tutto compresi", spiega il fisico. Una possibile forma di superconduttività non convenzionale è la superconduttività spin-tripletto, che si ritiene faccia uso di fluttuazioni magnetiche.
"Ci sono anche metalli in cui gli elettroni di conduzione si uniscono collettivamente", spiega Helm. "Insieme, possono schermare il magnetismo del materiale, comportandosi come una singola particella con, al posto degli elettroni, una massa estremamente elevata."
Tali materiali superconduttori sono noti come superconduttori a fermioni pesanti. UTe2 , quindi, potrebbe essere sia un superconduttore con spin tripletto che un superconduttore di fermioni pesanti, come suggeriscono gli esperimenti attuali. Oltre a ciò, è il campione del mondo dei pesi massimi:ad oggi non si conoscono altri superconduttori di fermioni pesanti con campi magnetici simili o superiori. Anche questo è stato confermato dal presente studio.
La superconduttività dipende da due fattori:la temperatura di transizione critica e il campo magnetico critico. Se la temperatura scende al di sotto della temperatura di transizione critica, la resistenza scende a zero e il materiale diventa superconduttore. Anche i campi magnetici esterni influenzano la superconduttività. Se questi superano un valore critico, l'effetto crolla.
"I fisici hanno una regola pratica per questo", ha detto Helm. "In molti superconduttori convenzionali, il valore della temperatura di transizione in Kelvin è circa una o due volte il valore dell'intensità critica del campo magnetico in tesla. Nei superconduttori spin-triplet, questo rapporto è spesso molto più elevato."
Con i loro studi sui pesi massimi UTe2 , i ricercatori sono ora riusciti ad alzare ulteriormente l'asticella:a una temperatura di transizione di 1,6 Kelvin (–271,55°C), l'intensità critica del campo magnetico raggiunge 73 tesla, fissando il rapporto a 45, che è un record.
"Finora i superconduttori a fermioni pesanti avevano poco interesse per le applicazioni tecniche", spiega il fisico. "Hanno una temperatura di transizione molto bassa e lo sforzo richiesto per raffreddarli è relativamente elevato."
Tuttavia, la loro insensibilità ai campi magnetici esterni potrebbe compensare questa lacuna. Questo perché oggi il trasporto di corrente senza perdite viene utilizzato principalmente nei magneti superconduttori, ad esempio negli scanner per risonanza magnetica (MRI). Tuttavia, i campi magnetici influenzano anche il superconduttore stesso.
Un materiale in grado di resistere a campi magnetici molto elevati e allo stesso tempo condurre l'elettricità senza perdite rappresenterebbe un importante passo avanti.
"Certamente, UTe2 non può essere utilizzato per creare cavi per un elettromagnete superconduttore", afferma Helm. "In primo luogo, le proprietà del materiale lo rendono inadatto a questo sforzo e, in secondo luogo, è radioattivo. Ma è perfettamente adatto per l'esplorazione della fisica dietro la superconduttività spin-tripletto."
Sulla base dei loro esperimenti, i ricercatori hanno sviluppato un modello che potrebbe servire a spiegare la superconduttività con stabilità estremamente elevata contro i campi magnetici. Per fare ciò, hanno lavorato su campioni con uno spessore di pochi micrometri, solo una frazione dello spessore di un capello umano (circa 70 micrometri). La radiazione radioattiva emessa dai campioni, quindi, rimane molto inferiore a quella del fondo naturale.
Per ottenere e modellare un campione così piccolo, Helm ha utilizzato come strumento di taglio un fascio ionico ad alta precisione con un diametro di pochi nanometri. UTe2 è un materiale sensibile all'aria. Di conseguenza, Helm esegue la preparazione dei campioni sotto vuoto e successivamente li sigilla con colla epossidica.
"Per la prova finale che il nostro materiale è un superconduttore con spin tripletto, dovremmo esaminarlo spettroscopicamente mentre è esposto a forti campi magnetici. Tuttavia, gli attuali metodi spettroscopici hanno ancora difficoltà con campi magnetici superiori a 40 tesla. Insieme ad altri team, noi stanno anche lavorando allo sviluppo di nuove tecniche, che alla fine ci consentiranno di fornire prove definitive", afferma Helm.
Ulteriori informazioni: Toni Helm et al, Compensazione indotta dal campo dello scambio magnetico come possibile origine della superconduttività rientrante in UTe2 , Comunicazioni sulla natura (2024). DOI:10.1038/s41467-023-44183-1
Informazioni sul giornale: Comunicazioni sulla natura
Fornito dall'Associazione Helmholtz dei centri di ricerca tedeschi
