Il laser fotografa i superconduttori del futuro

(Università Cattolica-Sissa-Politecnico di Milano) -Un altro passo avanti verso la superconduttività a temperatura ambiente. Un esperimento alle frontiere della fisica della materia rivela che il sogno di un’energia usata in modo più efficiente si può tradurre in realtà grazie a speciali materiali studiati dagli esperti di materia condensata. Per mezzo di impulsi laser opportunamente calibrati, per la prima volta un gruppo di ricerca internazionale guidato dagli scienziati della SISSA di Trieste, dell’Università Cattolica di Brescia e del Politecnico di Milano, ha “fotografato” l’interazione tra gli elettroni di uno speciale composto, contenente rame, ossigeno e bismuto, verificando che questi a temperature ordinaria non si respingono. Questa è una precondizione necessaria perché la corrente passi senza resistenza e costituisce, quindi, la base per i superconduttori del futuro. L’indagine potrebbe aprire importanti scenari per lo sviluppo di questi materiali da utilizzare nell’elettronica di consumo, nella diagnostica e nei trasporti. Lo studio è stato appena pubblicato su Nature Physics.

Per mezzo di raffinate tecniche laser che permettono di studiare speciali materiali nelle cosiddetta fase di non equilibrio, gli scienziati sono riusciti a capire le loro proprietà in un modo del tutto originale. Della ricerca, l’equipe SISSA ha curato gli aspetti teorici, l’Università Cattolica di Brescia e il Politecnico di Milano hanno coordinato invece quelli sperimentali.

Spiegano gli scienziati: “Uno dei più grandi ostacoli verso l’utilizzo della superconduttività nella tecnologia di tutti i giorni è che i superconduttori più promettenti ad alta temperatura si trasformano in isolanti. Questo perché gli elettroni, anziché appaiarsi e muoversi all’unisono nella direzione della corrente, tendono a respingersi”. Per studiare il fenomeno, i ricercatori si sono concentrati su uno specifico superconduttore, molto complesso nelle sue caratteristiche fisiche e chimiche perché composto da 4 tipi di atomi diversi, tra cui il rame e l’ossigeno. “Attraverso un impulso laser abbiamo portato il materiale fuori della condizione di equilibrio. Un secondo rapidissimo impulso ci ha permesso poi di isolare le componenti che caratterizzano le interazioni tra gli elettroni mentre il materiale tornava all’equilibrio, separandole temporalmente. Per usare una metafora, è come se avessimo ottenuto tante istantanee delle diverse proprietà di quel materiale, in momenti diversi”.

Con questo approccio, gli scienziati hanno verificato che “in questo materiale, la repulsione tra gli elettroni, e quindi le sue caratteristiche di isolante, scompaiono persino a temperatura ambiente. È un’osservazione molto interessante perché è questa la condizione indispensabile affinché un materiale possa diventare un superconduttore”. Per arrivarci, quale sarà lo step successivo? “Prendendo questo materiale come base, potremmo per esempio cambiarne la composizione chimica” spiegano i ricercatori. Verificato che le precondizioni per la produzione di un superconduttore a temperatura ambiente esistono, gli scienziati ora hanno a disposizione degli elementi in più per trovare la ricetta corretta: cambiando qualche ingrediente, la formula giusta potrebbe essere non troppo lontana.

Le applicazioni? Il campo magnetico generato dal passaggio di corrente in un superconduttore potrebbe essere utilizzato per una nuova generazione di treni a levitazione magnetica, come quello che già collega Shangai con il suo aeroporto superando i 500 Km/h, caratterizzati da maggiore efficienza e prestazioni di gran lunga migliori. Nel settore della diagnostica, la generazione di campi magnetici molto grandi in spazi molto piccoli, permetterebbe di effettuare analisi come la risonanza magnetica su scale molto ridotte, aumentando così l’accuratezza dell’indagine. Nel campo della conduzione elettrica, considerando la grande perdita di energia che accompagna il trasporto della corrente per uso civile o il funzionamento dei nostri dispositivi elettronici – che infatti tendono a surriscaldarsi – i superconduttori potrebbero garantire, allo stesso tempo, grandissima efficienza e un notevole risparmio energetico.

Riferimenti: S. Peli, S. Dal Conte, R. Comin, N. Nembrini, A. Ronchi, P. Abrami, F. Banfi, G. Ferrini, D. Brida, S. Lupi, M. Fabrizio, A. Damascelli, M. Capone, G. Cerullo, C. Giannetti. Mottness at finite doping and charge instabilities in cuprates; Nature Physics; DOI: 10.1038/nphys4112