Transizione Culturale: Un superconduttore infrange il record di alta temperatura

Si tratta di un cristallo di seleniuro di ferro che, contro tutte le aspettative, riacquista questa proprietà a pressioni elevate. Il fenomeno è probabilmente legato a una nuova - e finora ignota - transizione di fase di Zeeya Merali

25 febbraio 2012

Un superconduttore infrange il record di alta temperatura — © Charles O'Rear/CORBIS

fisica materiali

Non si può reprimere un buon superconduttore. Si è scoperto che un ferro a base cristallina riacquista la capacità di condurre elettricità senza resistenza quando sia sottoposto pressione, battendo il record di temperatura alla quale la superconduttività può sopravvivere in questo processo. Ma come ciò possa avvenire, rimane un mistero.

La maggior parte dei superconduttori funziona solo a temperature prossime allo zero assoluto. Così i fisici sono rimasti perplessi sul motivo per cui alcuni materiali possono essere superconduttori a temperature prossime ai 70 kelvin. Liling Sun, un-fisico della materia condensata dell'istituto di fisica dell'Accademia delle Scienze cinese e i suoi colleghi hanno studiato come si comporta sotto pressione il seleniuro di ferro, un (relativamente) nuovo arrivato nella famiglia dei superconduttori ad alta temperatura.

"La pressione è un modo per sintonizzare fra loro le strutture di elettroniche e del reticolo cristallino, accorciando le distanze atomiche, e può indurre una ricca varietà di fenomeni", spiega Sun.

A pressione normale, il seleniuro di ferro è superconduttore fino a circa 30 K, e il gruppo di Sun si aspettava che, aumentando la pressione, la superconduttività sarebbe svanita. I ricercatori hanno "spremuto" tra due incudini di diamante un singolo cristallo del materiale di 100 micrometri di diametro e 50 micron di spessore. In un primo momento hanno trovato esattamente quello che avevano previsto: la superconduttività si arrestava come la pressione si avvicinava ai 10 gigapascal.

Ma come hanno aumentato la pressione al di sopra 11,5 GPa il campione ha iniziato a tornare superconduttore. "Che la pressione indotta faccia riemergere la superconduttività è qualcosa che non è stato riscontrato in alcuna famiglia di superconduttori ad alta temperatura", dice Sun. Inoltre, a pressioni di circa 12,5 GPa, il campione potrebbe essere superconduttore fino a 48 K, stabilendo un nuovo record per i superconduttori a-seleniuro di ferro. "Questo ci ha veramente sorpreso", dice Sun.

Quanti sperano di sfruttare il seleniuro di ferro per applicazioni pratiche dovranno spingere la sua temperatura di transizione alla superconduttività sopra i 77 K, la temperatura alla quale bolle l'azoto liquido, ma ci sono segnali che ciò sia possibile, ha detto Qi-Kun Xue, fisico della Tsinghua University di Pechino. Xue e colleghi hanno elevato la temperatura di transizione superconduttività di uno strato sottile di un composto di seleniuro di ferro a un livello simile facendolo crescere su un substrato di titanato di stronzio. Ora stanno studiando lo stesso materiale del gruppo di Sun e si aspettano "un drastico aumento della temperatura di transizione", dice Xue.

Strane transizioniSubir Sachdev,-fisico della materia condensata della Harvard University a Cambridge, Massachusetts, dice che il bizzarro effetto di riemersione può essere correlato al modo in cui i siti che nel cristallo non hanno ioni vengono rimescolati quando viene applicata la pressione. Esperimenti indipendenti hanno dimostrato che a pressione normale un campione sottile di seleniuro di ferro presenta una "doppia personalità", separandosi in regioni altamente magnetiche, che contengono molti di questi posti vacanti ben ordinati, e regioni superconduttrici, prive di essi. "C'è un contrasto molto drastico tra questi comportamenti già a pressione ambiente", dice Sachdev. "A pressioni elevate sembra che succeda qualcosa che estromette il comportamento magnetico e permette il sopravvento della superconduttività."

Sun e colleghi hanno ora intenzione di effettuare esperimenti di scattering di neutroni, per mostrare come la struttura di un campione possa mutare sotto pressione, e questo dovrebbe contribuire a determinare se dietro il cambiamento di comportamento ci sia l'ordine dei posti vacanti, i cambiamenti nel magnetismo o altri effetti.

I risultati possono confondere, anziché offrire soluzioni al lungi mistero della superconduttività ad alta temperatura, dice Andrew Green, un fisico della materia condensato presso l'University College di Londra, osservando che, sebbene la prima fase di superconduttività nel seleniuro di ferro appaia a pressioni più basse, essa è legata a una transizione già vista in altri superconduttori ad alta temperatura, mentre il riemergere della superconduttività ad alta pressione è probabilmente un nuovo tipo di transizione di fase che segue un meccanismo diverso. "Questo è un risultato molto interessante, ma credo che sollevi più domande che risposte."

(L'originale di questo articolo è apparso il 12 febbraio 2012 sulla rivista "Nature"; riproduzione autorizzata)