Nel ditellururo di uranio, un metallo che diventa superconduttore sotto circa 2,1 kelvin (−271 °C), sono state osservate onde di densità di coppie che persistono anche oltre la temperatura di transizione superconduttiva. È la prima volta che questo comportamento viene rilevato in modo convincente. La scoperta, ottenuta da un gruppo guidato da ricercatori dell’Università dell’Illinois a Urbana-Champaign, è stata pubblicata sulla rivista PNAS.
I superconduttori conducono elettricità senza resistenza e quindi senza disperdere energia sotto forma di calore. A temperature molto basse, gli elettroni si accoppiano formando coppie di Cooper, che possono attraversare il materiale senza le interferenze che normalmente ostacolano il flusso elettrico. Nel 2007 era stata prevista una forma più insolita di movimento di queste coppie: l’onda di densità di coppie, o PDW. In questo stato, le coppie si dispongono secondo schemi regolari mentre si muovono, un po’ come increspature.
«Le onde di densità di coppie sono il sorriso dello Stregatto della superconduttività», afferma il fisico Eduardo Fradkin dell’Università dell’Illinois a Urbana-Champaign. «Sono ciò che resta quando la fase stessa è scomparsa». Nei superconduttori convenzionali, le coppie di Cooper si formano durante la transizione allo stato superconduttivo. Nel ditellururo di uranio, invece, la presenza di PDW sopra la temperatura di transizione indica che le coppie possono formarsi prima, in uno stato diverso.
Il ditellururo di uranio è particolarmente interessante perché si ritiene che sia un raro superconduttore «spin-tripletto»: in questo tipo di materiale, gli elettroni accoppiati possiedono anche un minuscolo orientamento magnetico. Indizi di PDW erano già stati individuati nel metallo. Per approfondire, il gruppo ha studiato un campione di alta qualità, preparato appositamente, usando un microscopio a effetto tunnel (STM), uno strumento che permette di esaminare la superficie di un materiale su scala molto piccola. Il microscopio era dotato di un magnete vettoriale, capace di applicare campi magnetici in direzioni diverse.
«Un vantaggio fondamentale del nostro esperimento è stato il nuovo apparato a magnete vettoriale, che consente di applicare campi magnetici in un intervallo insolitamente ampio e lungo più direzioni», spiega il fisico Zhen Zhu dell’Università dell’Illinois a Urbana-Champaign. «Variando sistematicamente sia l’intensità sia la direzione del campo, insieme alla temperatura, abbiamo potuto seguire l’evoluzione di questi modi e acquisire maggiore sicurezza sul fatto che il comportamento osservato fosse intrinseco».
I ricercatori hanno confrontato le misure con modelli teorici per interpretare gli schemi di carica osservati sia sotto la temperatura critica della superconduttività sia a temperature sensibilmente più alte. «Grazie a nuovi metodi per coltivare campioni di qualità superiore, siamo riusciti a osservare firme spettrali che reagiscono alla temperatura e ai campi magnetici esattamente come dovrebbero fare le onde di densità di coppie», afferma la fisica Vidya Madhavan dell’Università dell’Illinois a Urbana-Champaign. «Abbiamo persino dimostrato che i modi persistono oltre la temperatura alla quale scompare la superconduttività: una previsione teorica rivelatrice che finora non era mai stata osservata in modo convincente».
Il risultato non significa che il ditellururo di uranio diventi superconduttore in massa a temperature più elevate. Offre però nuovi indizi su come si comportano le coppie di Cooper e su come possano esistere anche al di fuori del normale stato superconduttivo. In prospettiva, queste conoscenze potrebbero aiutare a comprendere meglio la fisica necessaria per sviluppare superconduttori capaci di funzionare a temperature più alte, e quindi più facilmente utilizzabili.
Un’altra forma di increspatura elettronica è l’onda di densità di carica, o CDW: in questo caso alcuni elettroni si distribuiscono secondo schemi non uniformi. Chiarire il rapporto tra CDW e PDW sarà importante per interpretare i risultati degli esperimenti futuri. «Le PDW sono difficili da analizzare nei materiali reali, perché in alcuni esperimenti si comportano come superconduttori convenzionali e in altri come CDW», osserva il fisico Julian May-Mann dell’Università di Stanford. «Per confermare l’esistenza di una PDW servono sia dati sperimentali di alta qualità sia un’attenta analisi teorica».
