Gli spin degli elettroni spiegano in parte la superconduttività

A un'estremità di un nastro di film sottile, gli elettroni si accoppiavano e scorrevano senza resistenza. All'altra estremità, non lo facevano mai. All'interno di un magnete ad alta potenza del Laboratorio europeo di campi magnetici nei Paesi Bassi, il nastro conteneva quella differenza in un unico pezzo di materiale, ed è per questo che un team guidato dall'Università di Bristol ha potuto verificare un'ipotesi sulla superconduttività ad alta temperatura in condizioni identiche.

I ricercatori hanno realizzato il campione con ossido di rame, lantanio e cerio, depositandolo su uno strato di base strato atomico per strato atomico. Lungo il nastro hanno sostituito gradualmente il lantanio con il cerio. Questa sostituzione ha aggiunto elettroni di conduzione in più e ha prodotto un gradiente regolare delle temperature critiche di transizione, facendo passare il punto in cui si instaura la superconduttività dal suo valore più alto fino a zero lungo un solo campione. La litografia ha poi modellato contatti elettrici lungo il film, in modo che ogni area avesse una temperatura critica diversa pur mantenendo invariato il disordine del materiale. I forti campi magnetici hanno soppresso lo stato superconduttivo, e il team ha registrato come la resistenza variava con la temperatura, l'intensità del campo e il punto critico.

I dati sulla resistenza mostrano la principale fonte di attrito elettrico: gli elettroni che urtano direttamente contro le fluttuazioni degli spin degli elettroni. L'intensità di questa interazione corrispondeva strettamente alla temperatura critica di transizione lungo il nastro, il che ha portato il team a concludere che le fluttuazioni di spin causano la superconduttività in questo materiale. Nei superconduttori convenzionali, gli elettroni si accoppiano attraverso lente vibrazioni degli ioni nel reticolo cristallino. Gli ossidi di rame richiedono interazioni molto più rapide, e gli spin degli elettroni le forniscono. Nigel Hussey, professore di fisica all'Università di Bristol e coprimo autore dello studio, ha definito questo «la prova schiacciante» che risolve una parte dell'equazione.

Il team è esplicito: il risultato copre solo una metà del problema. Gli ossidi di rame possono diventare superconduttori in due modi: aggiungendo elettroni, come hanno fatto i ricercatori con il cerio, oppure sottraendone, il che lascia spazi vuoti chiamati lacune. Le temperature di transizione più alte si registrano solo nei materiali drogati a lacune. Quando il team ha confrontato i propri dati con precedenti studi ad alto campo su campioni drogati a lacune, le sole interazioni di spin non riuscivano a spiegarne le prestazioni superiori. I ricercatori concludono che, da quel lato, deve operare un secondo fattore, ancora sconosciuto, insieme alle fluttuazioni di spin. Come ha affermato Hussey: «Ora il compito è andare a trovare il secondo».

Per ora il cambiamento riguarda soprattutto i teorici, che ottengono un tassello misurato di un meccanismo che dovevano modellare senza averlo. I materiali a resistenza nulla costruiscono già i potenti magneti usati nelle risonanze magnetiche per immagini mediche, nei cavi elettrici ad alta efficienza e nelle apparecchiature di misura ultrasensibili, e il team sostiene che una descrizione completa del meccanismo sia cruciale per le tecnologie che dipendono dalla resistenza nulla. Lo studio è una misura di laboratorio su un singolo film artificiale e non fissa alcuna data per le applicazioni. Il suo valore sta nel restringere la ricerca dell'ingrediente che permetterebbe agli ingegneri di progettare questi materiali invece di scoprirli.