Per decenni, una famiglia di cristalli ha sconcertato i fisici con la sua sconcertante capacità di supercondurre - cioè trasportare una corrente elettrica senza alcuna resistenza - a temperature molto più calde rispetto ad altri materiali.
Ora, un esperimento che sta facendo anni ha superconduttività visualizzata direttamente su scala atomica in uno di questi cristalli, rivelando finalmente la causa del fenomeno con soddisfazione di quasi tutti. Gli elettroni sembrano spingersi l'un l'altro in un flusso senza attrito in un modo inizialmente suggerito da una venerabile teoria vecchia quasi quanto il mistero stesso.
"Questa prova è davvero bella e diretta", ha detto Subir Sachdev, un fisico dell'Università di Harvard che costruisce teorie sui cristalli, noti come cuprati, e non è stato coinvolto nell'esperimento.
"Ho lavorato su questo problema per 25 anni e spero di averlo risolto", ha detto JC Seamus Davis, che ha condotto il nuovo esperimento all'Università di Oxford. "Sono assolutamente elettrizzato."
La nuova misurazione corrisponde a una previsione basata sulla teoria, che attribuisce la superconduttività del cuprato a un fenomeno quantistico chiamato superscambio. "Sono stupito dall'accordo quantitativo", ha detto Andrè-Marie Tremblay, fisico dell'Università di Sherbrooke in Canada e leader del gruppo che ha fatto la previsione l'anno scorso.
La ricerca porta avanti l'ambizione perenne del campo: prendere la superconduttività del cuprato e rafforzare il suo meccanismo sottostante, al fine di progettare materiali che cambiano il mondo in grado di supercondurre elettricità a temperature ancora più elevate. La superconduttività a temperatura ambiente porterebbe una perfetta efficienza all'elettronica di tutti i giorni, alle linee elettriche e altro, sebbene l'obiettivo rimanga lontano.
"Se questa classe di teoria è corretta", ha detto Davis, riferendosi alla teoria del superscambio, "dovrebbe essere possibile descrivere materiali sintetici con atomi diversi in luoghi diversi" per i quali la temperatura critica è più alta.
Due colle
I fisici hanno lottato con la superconduttività da quando è stata osservata per la prima volta nel 1911. Lo scienziato olandese Heike Kamerlingh Onnes e collaboratori hanno raffreddato un filo di mercurio a circa 4 kelvin (cioè 4 gradi sopra lo zero assoluto) e hanno osservato con stupore la resistenza elettrica precipitare a zero . Gli elettroni si sono abilmente fatti strada attraverso il filo senza generare calore quando si sono scontrati con i suoi atomi, l'origine della resistenza. Ci vorrebbe "una vita di sforzi", ha detto Davis, per capire come.
Basandosi su intuizioni sperimentali chiave della metà degli anni '1950, John Bardeen, Leon Cooper e John Robert Schrieffer hanno pubblicato la loro teoria del premio Nobel di questa forma convenzionale di superconduttività nel 1957. La "teoria BCS", come è conosciuta oggi, sostiene che le vibrazioni che si muovono attraverso file di atomi "incollano" gli elettroni insieme. Quando un elettrone caricato negativamente vola tra gli atomi, attira verso di sé i nuclei atomici carichi positivamente e provoca un'increspatura. Quell'ondulazione attira un secondo elettrone. Superando la loro feroce repulsione elettrica, i due elettroni formano una "coppia di Cooper".
"È un vero inganno della natura", ha detto Jörg Schmalian, fisico al Karlsruhe Institute of Technology in Germania. "Questa coppia di Cooper non dovrebbe accadere."
Quando gli elettroni si accoppiano, ulteriori trucchi quantistici rendono inevitabile la superconduttività. Normalmente, gli elettroni non possono sovrapporsi, ma le coppie di Cooper seguono una regola della meccanica quantistica diversa; agiscono come particelle di luce, un numero qualsiasi delle quali può accumularsi sulla punta di uno spillo. Molte coppie di Cooper si uniscono e si fondono in un unico stato quantomeccanico, un "superfluido", che diventa ignaro degli atomi tra i quali passa.
La teoria BCS ha anche spiegato perché il mercurio e la maggior parte degli altri elementi metallici sono superconduttori quando vengono raffreddati vicino allo zero assoluto, ma smettono di farlo al di sopra di pochi kelvin. Le increspature atomiche creano la più debole delle colle. Alza il fuoco e fa oscillare gli atomi e sbiadisce le vibrazioni del reticolo.
Poi, nel 1986, i ricercatori IBM Georg Bednorz e Alex Müller si sono imbattuti in una colla elettronica più forte nei cuprati: cristalli costituiti da fogli di rame e ossigeno intervallati da strati di altri elementi. Dopo di loro osservò un cuprato superconduttori a 30 kelvin, i ricercatori ne hanno presto trovati altri che superconduttori sopra 100, e poi sopra 130 kelvin.
La svolta ha avviato uno sforzo diffuso per comprendere la colla più dura responsabile di questa superconduttività "ad alta temperatura". Forse gli elettroni si sono raggruppati insieme per creare concentrazioni di carica irregolari e increspate. O forse hanno interagito attraverso lo spin, una proprietà intrinseca dell'elettrone che lo orienta in una direzione particolare, come un magnete di dimensioni quantistiche.
Il compianto Philip Anderson, premio Nobel americano e leggenda a tutto tondo nella fisica della materia condensata, si fece avanti una teoria pochi mesi dopo la scoperta della superconduttività ad alta temperatura. Al centro del collante, ha affermato, c'è un fenomeno quantistico precedentemente descritto chiamato superscambio, una forza derivante dalla capacità degli elettroni di saltare. Quando gli elettroni possono saltare tra più posizioni, la loro posizione in qualsiasi momento diventa incerta, mentre la loro quantità di moto diventa definita con precisione. Uno slancio più acuto può essere uno slancio più basso, e quindi uno stato a bassa energia, che le particelle cercano naturalmente.
Il risultato è che gli elettroni cercano situazioni in cui possono saltare. Un elettrone preferisce puntare verso il basso quando il suo vicino punta verso l'alto, ad esempio, poiché questa distinzione consente ai due elettroni di saltare tra gli stessi atomi. In questo modo, il superscambio stabilisce uno schema regolare up-down-up-down degli spin degli elettroni in alcuni materiali. Spinge anche gli elettroni a stare a una certa distanza l'uno dall'altro. (Troppo lontano, e non possono saltare.) È questa attrazione efficace che Anderson credeva potesse formare forti coppie di Cooper.
Gli sperimentatori hanno lottato a lungo per testare teorie come quella di Anderson, poiché le proprietà dei materiali che potevano misurare, come la riflettività o la resistenza, offrivano solo sommari grezzi del comportamento collettivo di trilioni di elettroni, non di coppie.
"Nessuna delle tecniche tradizionali della fisica della materia condensata è mai stata progettata per risolvere un problema come questo", ha affermato Davis.
Super-esperimento
Davis, un fisico irlandese con laboratori a Oxford, Cornell University, University College Cork e International Max Planck Research School for Chemistry and Physics of Quantum Materials a Dresda, ha gradualmente sviluppato strumenti per esaminare i cuprati a livello atomico. Esperimenti precedenti hanno misurato la forza della superconduttività di un materiale raffreddandolo fino a raggiungere la temperatura critica in cui è iniziata la superconduttività, con temperature più calde che indicano una colla più forte. Ma nell'ultimo decennio, il gruppo di Davis ha perfezionato un modo per stimolare la colla attorno ai singoli atomi.
Hanno modificato una tecnica consolidata chiamata microscopia a tunneling a scansione, che trascina un ago su una superficie, misurando la corrente di elettroni che saltano tra i due. Scambiando la normale punta metallica dell'ago con una punta superconduttrice e facendola scorrere su un cuprato, hanno misurato una corrente di coppie di elettroni piuttosto che di individui. Questo ha permesso loro di mappare la densità delle coppie di Cooper che circondano ciascun atomo, una misura diretta della superconduttività. Hanno pubblicato la prima immagine di sciami di coppie di Cooper in Natura in 2016.
Nello stesso anno, un esperimento di fisici cinesi fornito una prova importante supportando la teoria del superscambio di Anderson: hanno dimostrato che più è facile per gli elettroni saltare tra rame e atomi di ossigeno in un dato cuprato, maggiore è la temperatura critica del cuprato (e quindi più forte è la sua colla). Davis e i suoi colleghi hanno cercato di combinare i due approcci in un unico cristallo cuprato per rivelare in modo più definitivo la natura della colla.
Il momento "aha" è arrivato in una riunione di gruppo su Zoom nel 2020, ha detto. I ricercatori si sono resi conto che un cuprato chiamato bismuto stronzio calcio rame ossido (BSCCO, o "bisko", in breve) aveva una caratteristica peculiare che ha reso possibile il loro esperimento onirico. In BSCCO, gli strati di atomi di rame e ossigeno vengono schiacciati in uno schema ondulato dai fogli di atomi circostanti. Questo varia le distanze tra alcuni atomi, che a sua volta influenza l'energia necessaria per saltare. La variazione causa mal di testa ai teorici, che amano i loro reticoli in ordine, ma ha fornito agli sperimentatori esattamente ciò di cui avevano bisogno: una gamma di energie saltellanti in un campione.
Hanno usato un microscopio a scansione tradizionale con una punta di metallo per attaccare elettroni su alcuni atomi e strapparli da altri, mappando le energie saltellanti attraverso il cuprato. Hanno quindi scambiato una punta di cuprato per misurare la densità delle coppie di Cooper attorno a ciascun atomo.
Le due mappe si allinearono. Laddove gli elettroni faticavano a saltare, la superconduttività era debole. Laddove saltare era facile, la superconduttività era forte. La relazione tra l'energia saltellante e la densità della coppia di Cooper corrispondeva strettamente a quella sofisticata previsione numerica dal 2021 di Tremblay e colleghi, che hanno sostenuto che questa relazione dovrebbe derivare dalla teoria di Anderson.
Super-colla di scambio
La scoperta di Davis che l'energia saltellante è collegata alla forza della superconduttività, pubblicata questo mese nel Atti della National Academy of Sciences, implica fortemente che il superscambio è la super colla che consente la superconduttività ad alta temperatura.
"È un bel lavoro perché porta una nuova tecnica per dimostrare ulteriormente che questa idea ha le gambe", ha detto Alì Yazdani, un fisico dell'Università di Princeton che ha sviluppato tecniche simili per studiare i cuprati e altri casi esotici di superconduttività in parallelo con il gruppo di Davis.
Ma Yazdani e altri ricercatori avvertono che c'è ancora una possibilità, per quanto remota, che la forza e la facilità di saltare si muovano di pari passo per qualche altro motivo, e che il campo stia cadendo nella classica trappola della correlazione uguale a causalità. Per Yazdani, il vero modo per dimostrare una relazione causale sarà sfruttare il superscambio per progettare alcuni nuovi superconduttori appariscenti.
“Se è finito, aumentiamo Tc”, ha detto, riferendosi alla temperatura critica.
Il superscambio non è un'idea nuova, quindi molti ricercatori ci hanno già pensato come fortificarlo, forse schiacciando ulteriormente il reticolo di rame e ossigeno o sperimentando altre coppie di elementi. "Ci sono già previsioni sul tavolo", ha detto Tremblay.
Naturalmente, disegnare progetti atomici e progettare materiali che facciano ciò che i ricercatori vogliono non è né semplice né rapido. Inoltre, non vi è alcuna garanzia che anche i cuprati su misura raggiungano temperature critiche molto più elevate di quelle dei cuprati che già conosciamo. La forza del superscambio potrebbe avere un tetto duro, proprio come sembrano le vibrazioni atomiche. Alcuni ricercatori lo sono candidati allo studio per tipi di colla completamente diversi e potenzialmente anche più resistenti. Altri far leva su pressioni ultraterrene per sostenere le tradizionali vibrazioni atomiche.
Ma il risultato di Davis potrebbe stimolare e concentrare gli sforzi di chimici e scienziati dei materiali che mirano a portare i superconduttori cuprati a livelli maggiori.
"La creatività delle persone che progettano i materiali è illimitata", ha affermato Schmalian. "Più siamo sicuri che un meccanismo sia giusto, più naturale è investire ulteriormente in questo".
