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Politecnico di Milano

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I cuprati: metalli strani e promettenti per la tecnologia del futuro

Un team internazionale di ricerca, che ha visto la partecipazione del Dipartimento di Fisica di Sapienza, ha pubblicato su Science una ricerca che aggiunge un importante tassello al complicato puzzle dei cuprati, famiglia di composti che diventano superconduttori ad alta temperatura critica.

cuprati
Il cuprato di ittrio e bario, il cristallo nella foto è stato sviluppato presso la University of British Columbia, Vancouver. Foto di  Shreyas Patankar (SPat), CC BY-SA 3.0

I superconduttori sono materiali che rappresentano una delle sfide ancora aperte della ricerca scientifica. Diverse, infatti, sono le loro possibili applicazioni per la proprietà di cui sono dotati di sostenere il passaggio di corrente elettrica senza scaldarsi e dissipare energia: questa caratteristica può essere sfruttata, per esempio, per ridurre gli sprechi nel trasporto di energia elettrica dalle centrali alle case, per la diagnostica avanzata della risonanza magnetica nucleare.

Tuttavia, affinché un materiale manifesti tale proprietà e diventi effettivamente superconduttivo, bisogna scendere a temperature bassissime. Al momento, l’uso dei superconduttori su larga scala è antieconomico per gli alti costi di gestione, principalmente rispetto al raffreddamento. Temperatura, dunque, è la parola chiave e, a livello globale, la soluzione è nei nuovi materiali che si comportino da superconduttori anche a temperature più elevate

In questa cornice si studiano con crescente attenzione i cuprati, composti a base di rame e ossigeno che, se opportunamente drogati” (ovvero con l’aggiunta di piccole quantità di impurità), diventano superconduttori ad alta temperatura, aprendo la prospettiva di promettenti applicazioni future.

In particolare i cuprati sono caratterizzati da un complesso diagramma di fase nel piano temperatura-drogaggio, in cui diverse fasi appaiono in competizione tra loro. Alcune di queste fasi competitive sono elusive ed è fondamentale osservarle e caratterizzarle. È il caso della fase dell’onda di densità di carica (fase nella quale gli elettroni, al di sotto di una temperatura caratteristica del materiale considerato, si dispongono a formare una struttura ordinata nello spazio), che era stata predetta dal gruppo teorico di Roma fin dal 1995 ed è stata osservata solo recentemente in tutti i materiali della famiglia dei cuprati, grazie allo sviluppo di tecniche di diffusione anelastica risonante di raggi X.

Un’altra importante caratteristica dei cuprati è costituita dalle anomalie delle proprietà della fase metallica: in particolare, nella cosiddetta fase del “metallo strano”, la resistività elettrica aumenta linearmente con la temperatura in un intervallo sorprendentemente ampio, che può estendersi dalle temperature più alte osservate fino alla temperatura di transizione alla fase superconduttiva, e anche a temperature più basse, se la superconduttività viene soppressa da un campo magnetico. Tale comportamento non è mai osservato nei metalli ordinari. Nei cuprati, il comportamento anomalo scompare nella fase dell’onda di densità di carica.

In un nuovo studio pubblicato su Science, che ha visto la partecipazione del Dipartimento di Fisica di Sapienza in un team di ricerca internazionale insieme alle Università di Chalmers e Cottbus, al Politecnico di Milano e allo European Synchrotron Radiation Facility di Grenoble, è stata osservata nel cuprato di ittrio e bario, ovvero un materiale ceramico che in condizioni normali (cioè, quando non è “drogato”) è un isolante, una profonda connessione tra la comparsa dell’onda di densità di carica e la deviazione da questo comportamento anomalo della fase metallica a bassa temperatura.

“Incrociando le misure di resistività e di diffusione anelastica risonante di raggi X su film sottili di questo superconduttore, comunemente chiamato YBCO – spiega Sergio Caprara del Dipartimento di Fisica della Sapienza – abbiamo dimostrato che, al diminuire dello spessore del film, nella regione del diagramma di fase in cui sono presenti onde di densità di carica, a una loro progressiva soppressione si associa un recupero della dipendenza lineare della resistività dalla temperatura, caratteristica di questi metalli strani”.

Il risultato suggerisce, tra l’altro, la possibilità di manipolare lo stato fondamentale di materiali quantistici utilizzando come parametro di controllo lo sforzo elastico, che nell’esperimento è introdotto dalla crescita dei film sottili su un substrato.

Questo studio apre dunque a una ulteriore conoscenza dei cuprati, materiali sempre più promettenti per future applicazioni tecnologiche.

Riferimenti:

Restored strange metal phase through suppression of charge density waves in underdoped YBa2Cu3O7-δ – Eric Wahlberg, Riccardo Arpaia, Götz Seibold, Matteo Rossi, Roberto Fumagalli, Edoardo Trabaldo, Nicholas B. Brookes, Lucio Braicovich, Sergio Caprara, Ulf Gran, Giacomo Ghiringhelli, Thilo Bauch, Floriana Lombardi – Science, 2021. DOI: https://doi.org/10.1126/science.abc8372

 

Testo dal Settore Ufficio stampa e comunicazione Sapienza Università di Roma

Studio di un team italiano pubblicato su Scientific Reports

CLIMA E ANTRACE: RISCHI PER I PASTORI SIBERIANI

STUDIATI CON UN MODELLO MATEMATICO

Estati sempre più miti: lo scongelamento del permafrost rilascia spore del batterio letale.

Tra le misure possibili l’adattamento dei tempi della stagione del pascolo

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La steppa russa nell’oblast d’Orenburg. Foto di Ghilarovus, CC BY-SA 4.0

VENEZIA – Il cambiamento climatico può favorire direttamente epidemie letali per gli animali e per l’uomo. Un caso emblematico è il crescente rischio di diffusione di antrace in Siberia a causa dello scongelamento del permafrost durante la stagione estiva.

Scienziati dell’Università Ca’ Foscari Venezia, dell’Istituto di scienze polari del Consiglio nazionale delle ricerche e del Politecnico di Milano hanno studiato il primo modello matematico sulla diffusione del batterio dell’antrace nelle zone artiche, pubblicando i risultati oggi sulla prestigiosa rivista scientifica Scientific Reports. Hanno scoperto che il rischio è legato più alla durata della stagione ‘calda’ rispetto alla profondità di scongelamento del terreno.

L’ultima grave epidemia di antrace in Siberia è stata registrata nel 2016, nella penisola del Taymyr, la propaggine più settentrionale dei continenti euroasiatici. Morirono un dodicenne e oltre 2.300 renne.

Le spore del batterio, che si diffondono nel suolo  a partire dalle carcasse degli animali che muoiono per l’infezione, sopravvivono per decenni nel permafrost congelato. Quando le temperature salgono e la morsa del gelo si allenta, le spore tornano a diffondersi nel suolo e ad infettare gli erbivori al pascolo. Sono proprio gli animali a infettare poi le popolazioni indigene, che nella pastorizia hanno una tra le principali fonti di sostentamento.

“E’ come se il permafrost fosse un grande serbatoio che viene aperto dalle temperature sempre più miti – spiega Enrico Bertuzzo, professore all’Università Ca’ Foscari Venezia e autore corrispondente dello studio -. Abbiamo analizzato con un modello i possibili percorsi del batterio proprio considerando l’ambiente e il ruolo della pastorizia”.

Gli scienziati hanno utilizzato i dati temporali di profondità di scongelamento dello strato attivo sopra il permafrost, da correlare al rischio di trasmissione. Il modello distingue spore che vengono rilasciate dai nuovi casi infetti e spore che possono essere riattivate in seguito ai processi che si sviluppano dallo scongelamento del suolo.

“Gli animali sono maggiormente esposti durante il pascolo estivo, quando si ha maggior scongelamento dello strato attivo sopra il permafrost, e degli strati più superficiali di permafrost – aggiunge Elisa Stella, ricercatrice del Cnr e prima autrice dell’articolo – dal nostro studio è emerso che il rischio di trasmissione è probabilmente legato maggiormente alla durata del periodo di scongelamento rispetto alla profondità di scongelamento”.

La ricerca offre un nuovo strumento per lo studio del fenomeno, ma sono molti gli interrogativi a cui rispondere per mitigare il rischio a cui sono esposti gli abitanti della regione siberiana. Non è disponibile, tra l’altro, una mappa delle sepolture degli animali infetti. Questo espone a rischio di attraversare aree contaminate.

Una misura suggerita dai ricercatori italiani è di anticipare o posticipare il pascolo stagionale, evitando il periodo più caldo e riducendo la permanenza del bestiame nelle aree a rischio.

 

L’articolo

Permafrost dynamics and the risk of anthrax transmission: a modelling study

Scientific Reports

Link alla ricerca: www.nature.com/articles/s41598-020-72440-6

Testo dall’Università Ca’ Foscari Venezia sull’antrace in Siberia in conseguenza dello scongelamento del permafrost per il cambiamento del clima.