In un ossido di rame drogato con elettroni, le fluttuazioni degli spin elettronici sono all’origine della superconduttività: gli elettroni interagiscono con questi spin e riescono a trasportare corrente senza resistenza. È la conclusione di uno studio guidato dall’Università di Bristol, pubblicato sulla rivista Nature Physics. Il risultato chiarisce un passaggio del meccanismo, ma non spiega da solo perché alcuni materiali raggiungano temperature di transizione più elevate.
Per isolare il fenomeno, ricercatori del Regno Unito, dei Paesi Bassi, della Cina e degli Stati Uniti hanno fabbricato un film sottile di ossido di rame, lantanio e cerio, depositando il materiale su un substrato uno strato atomico alla volta. Lungo il campione hanno sostituito gradualmente il lantanio con il cerio, aggiungendo così elettroni di conduzione. Ne è risultato un gradiente uniforme della temperatura critica, cioè la temperatura alla quale il materiale diventa superconduttore: in un’unica striscia, il valore passava dal massimo fino a zero.
Con la litografia, i ricercatori hanno poi disposto una serie di contatti elettrici lungo il film. In questo modo hanno potuto misurare zone con temperature critiche diverse, mantenendo uguale il disordine del materiale in tutto il campione.
Il film è stato quindi esposto a intensi campi magnetici presso il Laboratorio europeo per i campi magnetici, nei Paesi Bassi. I campi servivano a sopprimere la superconduttività, così da misurare come variava la resistenza al cambiare della temperatura, dell’intensità del campo e della posizione lungo il campione.
«I processi che rendono possibile la superconduttività ad alta temperatura sono rimasti un mistero e una fonte di grande interesse», ha dichiarato Nigel Hussey, professore di Fisica all’Università di Bristol e coautore principale dello studio. «Grazie alle misurazioni effettuate presso il Laboratorio europeo per i campi magnetici, nei Paesi Bassi, e a una successiva analisi approfondita, abbiamo trovato la prova decisiva che risolve una parte dell’equazione e spiega che cosa provoca questo stato enigmatico».
Dai dati sulla resistenza è emerso che gli elettroni disperdono energia interagendo direttamente con gli spin elettronici fluttuanti. L’intensità di questa interazione seguiva da vicino l’andamento della temperatura critica lungo la striscia. Secondo il gruppo, il risultato conferma che, nel materiale studiato, le fluttuazioni degli spin sono responsabili dello stato superconduttore.
La conclusione, però, riguarda solo una parte del problema. Gli ossidi di rame possono diventare superconduttori attraverso due tipi di drogaggio: aggiungendo elettroni, come in questo esperimento con il cerio, oppure rimuovendoli e creando lacune, cioè posti lasciati vuoti dagli elettroni. Le temperature di transizione più alte si osservano soltanto nei materiali drogati con lacune.
Confrontando i nuovi risultati con quelli di precedenti studi su campioni drogati con lacune e sottoposti a campi magnetici intensi, il gruppo di Bristol ha rilevato che le sole interazioni tra spin non bastano a spiegare le prestazioni superiori di questi materiali. Pur avendo la stessa base chimica, i due tipi di campione presentano strutture interne diverse. I ricercatori ritengono quindi che, nei materiali drogati con lacune, debba intervenire un secondo fattore ancora sconosciuto insieme alle fluttuazioni degli spin.
Il risultato distingue questi materiali dai superconduttori convenzionali studiati in passato. Nei metalli che diventano superconduttori a basse temperature, gli elettroni si accoppiano grazie alle lente vibrazioni degli ioni nel reticolo cristallino. Negli ossidi di rame ad alta temperatura, invece, il meccanismo richiede interazioni più rapide, fornite dagli spin degli elettroni.
Comprendere il processo completo potrebbe aiutare a sviluppare tecnologie basate sulla conduzione senza resistenza. Gli ossidi di rame sono già impiegati per realizzare magneti potenti per la diagnostica per immagini, cavi elettrici efficienti e strumenti di misurazione ultrasensibili.
«Abbiamo individuato il primo ingrediente fondamentale; ora dobbiamo trovare il secondo», ha concluso Hussey. «Solo allora i teorici potranno elaborare un quadro completo della superconduttività ad alta temperatura».
Fonte: interestingengineering.com
