Strane "singolarità" responsabili di tipi esotici di superconduttività

I superconduttori che funzionano a temperature molto superiori allo zero assoluto hanno sconcertato gli scienziati da quando sono stati scoperti. Una nuova teoria potrebbe cambiare la situazione.

I fisici hanno scoperto un misterioso meccanismo responsabile della superconduttività ad alta temperatura e potrebbe aiutare nella ricerca di uno dei "Santo Graal" della fisica.

La nuova scoperta, nota come superconduttività oscillante, identifica un processo che consente ai materiali di supercondurre a temperature molto più elevate del normale, aprendo la strada alla scoperta di materiali superconduttori a temperatura ambiente che potrebbero facilitare la trasmissione di energia quasi senza perdite. I ricercatori hanno pubblicato i loro risultati l’11 luglio sulla rivista Physical Review Letters.

"Uno del Santo Graal della fisica è la superconduttività a temperatura ambiente, che è abbastanza pratica per le applicazioni della vita di tutti i giorni", ha detto in una nota Luiz Santos, assistente professore di fisica alla Emory University. "Quella svolta potrebbe cambiare la forma della civiltà."

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La superconduttività emerge dalle increspature causate dagli elettroni mentre si muovono attraverso un materiale. A temperature sufficientemente basse, queste increspature fanno sì che i nuclei atomici si attraggano l'uno verso l'altro, provocando a sua volta un leggero spostamento di carica che attrae un secondo elettrone verso il primo.

La forza di questa attrazione fa sì che accada qualcosa di strano: invece di respingersi a causa della forza di repulsione elettrostatica, gli elettroni si legano insieme in una "coppia di Cooper".

Le coppie di Cooper seguono regole quantomeccaniche diverse da quelle degli elettroni solitari. Invece di impilarsi l'uno sull'altro per formare gusci energetici, agiscono come particelle di luce, un numero infinito delle quali può occupare contemporaneamente lo stesso punto nello spazio. Se un numero sufficiente di queste coppie di Cooper vengono create in un materiale, diventano un superfluido, che scorre senza alcuna perdita di energia dovuta alla resistività elettrica.

I primi superconduttori, scoperti dal fisico olandese Heike Kamerlingh Onnes nel 1911, passarono a questo stato di resistività elettrica zero a temperature inimmaginabilmente fredde, vicine allo zero assoluto (meno 459,67 gradi Fahrenheit, o meno 273,15 gradi Celsius). Eppure, nel 1986, i fisici scoprirono un altro tipo di materiale, chiamato cuprato, che diventa un superconduttore a temperature molto più calde (ma comunque molto fredde) a meno 211 F (meno 135 C).

I fisici speravano che questa scoperta avrebbe portato alla scoperta di superconduttori a temperatura ambiente, che avrebbero aperto la porta alla trasmissione di elettricità quasi senza perdite. Eppure le scoperte si sono esaurite e le recenti affermazioni sui superconduttori a temperatura ambiente sono finite in scandalo e delusione.

Fino ad ora, l’incapacità di trovare superconduttori a temperatura ambiente e pressione ambiente è in parte derivata da una mancanza di comprensione da parte dei fisici delle condizioni teoriche che consentono agli elettroni di formare coppie di Cooper a temperature relativamente elevate (circa tre volte più basse di quelle di un congelatore standard). temperatura).

Per indagare su questo, i ricercatori dietro il nuovo studio si sono concentrati su una particolare forma di superconduttività ad alta temperatura che emerge quando le coppie di Cooper si organizzano in schemi oscillanti noti come onde di densità di carica. La relazione tra le onde, una sorta di danza sincronizzata di massa tra elettroni accoppiati attraverso un materiale, ha una connessione complessa con la superconduttività: in alcune circostanze, le onde soffocano l’effetto, mentre in altre aiutano a incollare insieme gli elettroni.

Modellando queste onde, i fisici hanno scoperto che la chiave per la loro comparsa era probabilmente una proprietà nota come singolarità di Van Hove. Di solito, in fisica, l'energia di una particella in movimento è, piuttosto intuitivamente, correlata alla velocità alla quale viaggia.

Ma alcune strutture materiali infrangono questa regola, consentendo agli elettroni con velocità diverse di esistere alle stesse energie. Quando tutte le energie degli elettroni sono uguali, possono interagire e accoppiarsi per formare più facilmente coppie di Cooper danzanti.