Gli ossidi di palladio potrebbero creare superconduttori migliori – Physics World

I palladati - materiali a base di ossidi basati sull'elemento palladio - potrebbero essere utilizzati per realizzare superconduttori che funzionano a temperature più elevate rispetto ai cuprati (ossidi di rame) o ai nichelati (ossidi di nichel), secondo i calcoli dei ricercatori dell'Università di Hyogo, Giappone, TU Wien e colleghi. Il nuovo studio identifica inoltre due di questi palladati come "virtualmente ottimali" in termini di due proprietà importanti per i superconduttori ad alta temperatura: la forza di correlazione e le fluttuazioni spaziali degli elettroni nel materiale.

I superconduttori sono materiali che conducono elettricità senza resistenza quando vengono raffreddati al di sotto di una certa temperatura di transizione, T_c. Il primo superconduttore ad essere scoperto fu il mercurio solido nel 1911, ma la sua temperatura di transizione è solo di pochi gradi sopra lo zero assoluto, il che significa che per mantenerlo nella fase superconduttiva è necessario un costoso refrigerante a base di elio liquido. Diversi altri superconduttori "convenzionali", come sono noti, furono scoperti poco dopo, ma tutti hanno valori di T_c.

A partire dalla fine degli anni '1980, tuttavia, una nuova classe di superconduttori "ad alta temperatura" con T_c sopra il punto di ebollizione dell'azoto liquido (77 K). Questi superconduttori "non convenzionali" non sono metalli ma isolanti contenenti ossidi di rame (cuprati) e la loro esistenza suggerisce che la superconduttività può persistere a temperature ancora più elevate. Recentemente, i ricercatori hanno identificato i materiali a base di ossidi di nichel come buoni superconduttori ad alta temperatura nella stessa vena dei loro cugini cuprati.

Uno degli obiettivi principali di questa ricerca è trovare materiali che rimangano superconduttori anche a temperatura ambiente. Tali materiali migliorerebbero notevolmente l'efficienza dei generatori elettrici e delle linee di trasmissione, rendendo anche le applicazioni comuni della superconduttività (compresi i magneti superconduttori negli acceleratori di particelle e nei dispositivi medici come gli scanner MRI) più semplici ed economiche.

Un fondamentale problema irrisolto

La teoria classica della superconduttività (nota come teoria BCS dalle iniziali dei suoi scopritori, Bardeen, Cooper e Schrieffer) spiega perché il mercurio e la maggior parte degli elementi metallici sono superconduttori al di sotto della loro T_c: i loro elettroni fermionici si accoppiano per creare bosoni chiamati coppie di Cooper. Questi bosoni formano un condensato coerente in fase che può fluire attraverso il materiale come una supercorrente che non subisce scattering e come risultato appare la superconduttività. La teoria, tuttavia, non è all'altezza quando si tratta di spiegare i meccanismi alla base dei superconduttori ad alta temperatura. In effetti, la superconduttività non convenzionale è un problema irrisolto fondamentale nella fisica della materia condensata.

Per comprendere meglio questi materiali, i ricercatori devono sapere in che modo gli elettroni di questi metalli di transizione 3d sono correlati e quanto fortemente interagiscono tra loro. Anche gli effetti di fluttuazione spaziale (che sono potenziati dal fatto che questi ossidi sono tipicamente realizzati come materiali bidimensionali oa film sottile) sono importanti. Sebbene tecniche come le perturbazioni diagrammatiche di Feynman possano essere utilizzate per descrivere tali fluttuazioni, non sono all'altezza quando si tratta di catturare effetti di correlazione come la transizione metallo-isolante (Mott), che è uno dei capisaldi della superconduttività ad alta temperatura.

È qui che entra in gioco un modello noto come teoria dinamica del campo medio (DMFT). Nel nuovo lavoro, i ricercatori guidati da Vienna University of Technology fisico a stato solido Karsten Tenuto ha utilizzato le cosiddette estensioni diagrammatiche di DMFT per studiare il comportamento superconduttore di diversi composti palladati.

I superconduttori cuprati contengono uno strano componente

I calcoli, che sono dettagliati in Physical Review Letters, rivelano che l'interazione tra gli elettroni deve essere forte, ma non troppo forte, per raggiungere alte temperature di transizione. Né i cuprati né i nickel sono vicini a questa interazione ottimale di tipo medio, ma i palladati lo sono. "Il palladio è direttamente una riga sotto il nichel nella tavola periodica", osserva Held. "Le proprietà sono simili, ma gli elettroni sono in media un po' più lontani dal nucleo atomico e l'uno dall'altro, quindi l'interazione elettronica è più debole."

I ricercatori hanno scoperto che mentre alcuni palladati, in particolare RbSr₂DOP₃ e A'₂DOP₂Cl₂ (A'=Ba_0.5La_0.5), sono “virtualmente ottimali”, altri, come NdPdO₂, sono troppo debolmente correlati. "La nostra descrizione teorica della superconduttività ha raggiunto un nuovo livello", Motoharu Kitatani della Università di Hyogo dice Mondo della fisica. "Siamo certi che i nostri colleghi sperimentali proveranno ora a sintetizzare questi materiali".

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• Fonte: https://physicsworld.com/a/palladium-oxides-could-make-better-superconductors/