Nuove scoperte sulla superconduttività non convenzionale

Un team internazionale di ricercatori ha condotto un esperimento su uno speciale metallo, il CeRhIn5, i cui risultati possono aprire nuove prospettive nello studio della superconduttività ad alta temperatura

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Un team internazionale di scienziati, guidato dal Dr. Toni Helm (High Magnetic Field Laboratory dell’Helmotz-Zentrum Dresden-Rossendord), e composto da fisici provenienti da Tallahassee, Los Alamos e Losanna, è riuscito a combinare, con successo, diverse condizioni sperimentali estreme in un modo completamente nuovo, mettendo in luce nuovi aspetti, relativi alle misteriose proprietà di conduzione del metallo cristallino CeRhIn5. La ricerca, pubblicata sul giornale Nature Communication, riguarda l’esplorazione, per la prima volta, di regioni del diagramma di fase di questo metallo, considerato un modello promettente per comprendere i superconduttori non convenzionali.

In una prima fase dell’esperimento, si applica un sottile strato di oro su un singolo cristallo microscopico. Successivamente, si utilizza un fascio di ioni per ritagliare minuscole microstrutture. Alle estremità di queste strutture, si attaccano dei nastri di platino ultra-sottili per misurare la resistenza rispetto a diverse direzioni e sotto pressioni estremamente elevate, che vengono generate con una cella di pressione a incudine di diamante. Infine, su queste strutture vengono applicati dei campi magnetici molto intensi a temperature prossime allo zero assoluto.

Questo esperimento, rappresenta solo una delle tante sfide che riguardano la combinazione simultanea di condizioni sperimentali estreme. Gli sforzi compiuti non sono fini a sé stessi: i ricercatori stanno cercando di arrivare a fondo di alcune argomentazioni fondamentali che riguardano la fisica dello stato solido.

Il materiale oggetto di questo studio è il cer-rodio-indio-5 (CeRhIn5), un metallo che presenta proprietà sorprendenti, non ancora pienamente comprese. Gli scienziati definiscono questo metallo come un conduttore elettrico non convenzionale, con portatori di carica estremamente pesanti, nel quale, sotto determinate condizioni, la corrente elettrica riesce a fluire senza perdite. Le questioni centrali affrontate dai fisici che lavorano con questi sistemi elettronici correlati sono: come fanno a organizzarsi collettivamente gli elettroni pesanti? In che modo ciò riesce a generare magnetismo e superconduttività? E che relazione esiste tra questi fenomeni?

I fisici sono particolarmente interessati nello studio del diagramma di fase del metallo, una sorta di mappa le cui coordinate sono la pressione, l’intensità del campo magnetico e la temperatura. Per rendere la mappa più significativa possibile, è necessario che, in questo sistema di coordinate, vengano definite più posizioni possibili, come un cartografo che esplora un territorio sconosciuto. Infatti, il diagramma che ne scaturisce non si discosta tanto dal terreno di un paesaggio.



Portando la temperatura a circa 4 gradi sopra lo zero assoluto, i ricercatori hanno osservato che nel campione studiato si stabilisce un determinato ordine magnetico. A questo punto, si hanno alcune opzioni: è possibile raffreddare ulteriormente il campione e portarlo a pressioni ancora più elevate, forzando una transizione verso lo stato di superconduzione. Se, invece, si provvede solamente ad aumentare il campo magnetico esterno di circa 600.000 il campo magnetico terrestre, anche l’ordine magnetico viene soppresso; in questo caso il materiale entra in uno stato chiamato elettronicamente nematico.

Il termine nematico è mutuato dalla fisica dei cristalli liquidi, e descrive una determinata orientazione spaziale delle molecole con un ordine a lungo raggio su zone più ampie. Gli scienziati ritengono che lo stato elettronicamente nematico sia collegato al fenomeno della superconduttività non convenzionale. L’ambiente sperimentale creato presso l’High Magnetic Field Laboratory fornisce tutte le condizioni ottimali per portare avanti questo progetto di misura così complesso. I grandi magneti generano pulsazioni che hanno una durata relativa abbastanza lunga e offrono inoltre lo spazio sufficiente per mettere in atto i complessi metodi di misura sotto condizioni estreme.

Questi esperimenti hanno altre caratteristiche speciali. Per esempio, lavorare con campi magnetici a elevate pulsazioni porta alla creazione di correnti parassite nelle parti metalliche dell’attrezzatura, che a loro volta vanno a generare del calore indesiderato. Sono stati quindi prodotti in loco i componenti centrali, utilizzando un materiale di plastica speciale che sopprime questo effetto ed è abbastanza affidabile anche a temperature vicine allo zero assoluto. Utilizzando fasci ionici focalizzati, è possibile garantire una particolare geometria del campione da studiare, che garantisce un segnale di misura di alta qualità.

La micsrostrutturazione avrà un ruolo fondamentale per gli esperimenti futuri. In questo modo, si ha la possibilità di accedere e penetrare gradualmente all’interno di quei domini dove gli effetti quantomeccanici giocano un ruolo essenziale. Le conoscenze che sono state acquisite dal gruppo di scienziati che ha condotto questo esperimento, certamente forniranno un importante contributo alla ricerca sui superconduttori ad alta temperatura, così come a nuove tecnologie quantistiche.

Fonte: phys.org

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