La superconduttività rappresenta una delle sfide più affascinanti e complesse della fisica moderna, con applicazioni pratiche fondamentali che spaziano dalla creazione di potenti magneti per le scansioni mediche ad alta risoluzione, fino al trasporto di elettricità ad altissima efficienza e alla costruzione di dispositivi di misurazione ultra sensibili. Per molti decenni, il meccanismo esatto alla base di questo fenomeno unico a temperature elevate è sfuggito alla comprensione degli scienziati, generando un fitto alone di mistero attorno al comportamento intrinseco di questi materiali. Oggi, una ricerca pionieristica pubblicata sulla prestigiosa rivista Nature Physics e guidata dai fisici dell’Università di Bristol, ha finalmente identificato il meccanismo vitale che spiega come gli elettroni, all’interno dei superconduttori ad alta temperatura a base di ossido di rame, riescano a combinarsi per trasmettere energia senza alcuna perdita. In questo stato di conduzione elettrica infinita l’energia viaggia intatta, aprendo scenari futuri inimmaginabili per le reti elettriche mondiali.
Il professor Nigel Hussey, co-autore principale dello studio, ha inquadrato così la portata della scoperta: “La superconduttività è un fenomeno straordinario, quasi magico, che ha a lungo affascinato fisici famosi e ha portato a varie scoperte riconosciute con i Premi Nobel nel corso dei decenni. I processi che facilitano la superconduttività a temperature più elevate, tuttavia, sono rimasti una fonte di mistero e fascino. Attraverso misurazioni effettuate presso l’European Magnetic Field Laboratory nei Paesi Bassi e successive attente analisi, abbiamo trovato la pistola fumante che risolve parte dell’equazione e spiega cosa causa questo stato sconcertante“.
Nei superconduttori convenzionali a bassa temperatura, il meccanismo coinvolge le vibrazioni degli ioni che compongono il reticolo cristallino del materiale. Da anni gli scienziati cercavano un nuovo meccanismo per le alte temperature, puntando sugli elettroni per la loro capacità di produrre un minuscolo campo magnetico, ovvero lo spin. Il team di scienziati internazionali provenienti da Bristol, Paesi Bassi, Cina e Stati Uniti, ha creato uno speciale campione di film sottile a base di lantanio, cerio e ossido di rame, depositato strato per strato. Utilizzando la litografia, i ricercatori hanno modellato una serie di contatti elettrici per misurare i cambiamenti di resistenza durante gli esperimenti condotti ad alto campo magnetico.
Il ruolo delle fluttuazioni di spin
A spiegare l’esito tecnico dell’esperimento è la dottoressa Caitlin Duffy, autrice principale e ricercatrice post-dottorato dello studio: “Impiegando alcuni trucchi analitici sui dati ottenuti in alti campi magnetici, siamo stati quindi in grado di identificare la fonte dominante di resistenza in questo materiale come la dispersione causata dalle fluttuazioni degli spin. La correlazione tra la forza di questa interazione e la Tc ha quindi confermato che l’origine della superconduttività in questo materiale è effettivamente l’interazione tra gli elettroni di conduzione e le fluttuazioni di spin“. Nonostante questo enorme passo avanti, l’enigma della superconduttività è risolto solo a metà. Esistono infatti 2 modi per indurre la superconduttività nell’ossido di rame genitore: introdurre elettroni, come fatto nello studio sostituendo il lantanio con il cerio, oppure rimuovere elettroni introducendo le cosiddette lacune nel sistema.
La caccia al prossimo premio Nobel
Il professor Hussey ha chiarito la natura di questa nuova sfida, sottolineando le affascinanti differenze tra i vari approcci di ricerca in corso in tutto il mondo. “Come accade, i valori di Tc veramente alti si trovano solo sul lato drogato con lacune. Dato che il nostro studio individua come emerge la superconduttività quando gli elettroni vengono drogati nel sistema, è forte la tentazione di presumere che per aumentare la Tc sul lato drogato con lacune, dobbiamo semplicemente aumentare la forza dell’accoppiamento a questi spin fluttuanti, o farli fluttuare a una frequenza più alta“, ha aggiunto.
La conclusione di Hussey apre una nuova e definitiva caccia al tesoro scientifica: “Ma le cose non sono così semplici. Sebbene i cuprati drogati con elettroni e con lacune siano fatti della stessa stoffa, sono cuciti insieme in schemi diversi. Infatti, confrontare questi risultati con i nostri precedenti studi in alto campo sulle controparti drogate con lacune, ci informa che deve esserci un 2° ingrediente mancante responsabile dei valori di Tc più elevati sul lato drogato con lacune. Sebbene abbiamo trovato il 1° ingrediente chiave, il compito ora è andare a trovare il 2°. Solo allora i teorici potranno sviluppare la storia completa della superconduttività ad alta temperatura. A mio parere, chiunque abbia successo in quella ricerca sarà sicuramente un forte candidato per un futuro Premio Nobel per la Fisica“.
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