Fisici ascoltano il rumore elettrico per svelare un mistero dei superconduttori

Un team di fisici, guidati da Milan Allan dell’Università di Monaco di Baviera e Ingmar Swart dell’Università di Utrecht, ha utilizzato il rumore elettrico per indagare su un mistero legato alla superconduttività a alta temperatura dei cuprati. La ricerca, pubblicata su Science, ha rivelato nuovi indizi su come gli elettroni si comportino in questi materiali, un tema dibattuto da oltre 40 anni. Gli scienziati hanno ascoltato le piccole oscillazioni di corrente per capire se gli elettroni si accoppiano o meno, un fenomeno cruciale per la superconduttività.

Il mistero degli elettroni scomparsi

Al centro del mistero c’è lo stato chiamato pseudogap, un fenomeno in cui alcuni elettroni sembrano scomparire quando il materiale si raffredda. “Il pseudogap è un fenomeno di elettroni mancanti”, ha spiegato Allan. Mentre i superconduttori tradizionali funzionano solo a temperature vicine al zero assoluto, i cuprati superconduttori a alta temperatura possono operare con il liquido azoto, un refrigerante economico. Tuttavia, il motivo per cui i cuprati superconduttono a temperature più elevate rimane un enigma. Due ipotesi principali si contendono la spiegazione: una suggerisce che gli elettroni si bloccano in strutture, l’altra che si accoppiano prima che il materiale diventi superconduttivo.

Ascoltare il rumore per capire gli accoppiamenti

Per risolvere il dilemma, i ricercatori hanno utilizzato un microscopio a scansione a tunnel (STM), un dispositivo che misura il rumore elettrico generato dal flusso di corrente. “Se hai due elettroni che si muovono sempre insieme, a causa dell’accoppiamento, il rumore sarà maggiore”, ha spiegato Allan. L’idea è simile a quella di sentire la pioggia cadere su un tetto: se le gocce diventano più pesanti, il rumore aumenta. I ricercatori hanno registrato il rumore a livelli specifici di energia e in diversi punti della superficie del campione.

La tecnica ha permesso di distinguere tra elettroni singoli e accoppiati, un passo cruciale per comprendere il meccanismo della superconduttività.

Per isolare il segnale dell’accoppiamento, i ricercatori hanno dovuto eliminare altre fonti di rumore, come il movimento degli atomi sulla superficie. Questo processo ha richiesto anni di lavoro e una grande quantità di attenzione. “Il rumore è estremamente difficile da interpretare”, ha detto Allan. La soluzione è arrivata quando i ricercatori hanno esposto i campioni a campi magnetici fino a sei tesla, che inibiscono l’accoppiamento degli elettroni. Quando il campo aumentava, il rumore si riduceva, confermando che l’accoppiamento era responsabile del segnale. La ricerca ha rivelato che l’accoppiamento degli elettroni avviene a energie molto elevate, ben al di sopra della temperatura alla quale il materiale diventa superconduttivo. “Questo suggerisce che la limitazione non è l’acquisizione degli elettroni, ma la loro capacità di muoversi insieme”, ha detto Swart. Questo risultato apre nuove possibilità per migliorare la superconduttività, ma i ricercatori sono cauti. “Non crediamo che sarà così semplice”, ha detto Allan.

La strada verso la superconduttività a temperatura ambiente potrebbe passare attraverso una combinazione di chimica e intelligenza artificiale, non solo fisica pura.

Allan e Swart sottolineano che la loro ricerca non risolve completamente il mistero del pseudogap, ma elimina una delle ipotesi principali. “Non crediamo che sarà così semplice”, ha ripetuto Allan. L’obiettivo finale è capire meglio il legame tra accoppiamento e coerenza, due fenomeni chiave per la superconduttività. “Speriamo che altri gruppi possano esplorare il comportamento al di sopra della temperatura di superconduttività”, ha concluso Allan.