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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

Onde elettromagnetiche senza limiti: dall’esplorazione dei fondali marini alla diagnostica d’avanguardia 

Un gruppo di ricercatori della Sapienza ha verificato in pratica per la prima volta il fenomeno della penetrazione profonda delle onde elettromagnetiche ottenuto mediante dispositivi facilmente realizzabili che ne massimizzano la propagazione. I risultati dello studio, pubblicati su Scientific Reports, aprono a nuove prospettive per lo sviluppo tecnologico di numerose applicazioni nell’imaging e nella spettroscopia, così come nei sistemi radar e nei trattamenti medici.

Onde elettromagnetiche senza limiti materiali dissipativi penetrazione profonda
Onde elettromagnetiche senza limiti. Immagine di DECHAMMAKL, CC BY-SA 4.0

Le onde elettromagnetiche, tra cui luce, raggi X, microonde e onde radio, sono molto presenti nella vita quotidiana e si prestano a numerose applicazioni, grazie alla loro flessibilità e potenza: dalla trasmissione di informazioni e di energia ai radar, fino agli impieghi in medicina diagnostica e terapeutica. Tuttavia, le onde elettromagnetiche perdono di efficacia all’interno di alcuni materiali detti dissipativi che intralciano la loro propagazione determinandone la trasformazione in altre forme di energia.

Un gruppo di ricerca della Sapienza, coordinato dal Dipartimento di Ingegneria dell’informazione, elettronica e telecomunicazioni (Diet), in collaborazione con altre università italiane, ha verificato per la prima volta il fenomeno fisico di penetrazione profonda di campi elettromagnetici in materiali dissipativi, ricorrendo ad apparecchi che consentono alle onde di “viaggiare” anche attraverso, per esempio, il terreno o i tessuti biologici.

La ricerca, pubblicata sulla rivista Scientific Reports, conferma nella pratica quanto dimostrato solo a livello teorico in un precedente studio del 2018.

Il risultato è stato ottenuto attraverso un’antenna a microonde (detta antenna a onda leaky), che emette onde che presentano un’amplificazione del campo in certe regioni di spazio, oppure, con un approccio assolutamente innovativo, mediante un particolare prisma che può operare anche a frequenze ottiche.

Le applicazioni di questi dispositivi potrebbero riguardare non soltanto l’individuazione di oggetti sepolti o immersi e l’interazione in profondità con tessuti biologici, ma anche la trasmissione di informazioni in mezzi con perdite, l’analisi di materiali e la microscopia.

“Questo lavoro – commenta Fabrizio Frezza della Sapienza, coordinatore del lavoro – apre la strada a promettenti applicazioni nell’imaging e nella spettroscopia, così come nei sistemi radar e nei trattamenti medici”.

Lo studio, sebbene verifichi l’effetto di penetrazione profonda per un valore specifico della frequenza e della conduttività (essendo le strutture coinvolte tipicamente a banda stretta) offre un importante contributo allo sviluppo tecnologico di numerose applicazioni anche in campi in cui, finora, potevano essere utilizzate solo le onde acustiche, come nell’ecografia e nel sonar.

Riferimenti:

Verification of the electromagnetic deeppenetration effect in the real world – Paolo Baccarelli, Alessandro Calcaterra, Fabrizio Frezza, Fabio Mangini, Nicholas Ricciardella, Patrizio Simeoni, Nicola Tedeschi – Scientific Reports 2021. DOI: 10.1038/s41598-021-95080-w

 

Testo dal Settore Ufficio stampa e comunicazione Sapienza Università di Roma

APRE IL MUSEO “GIOVANNI POLENI” DELL’UNIVERSITÀ DI PADOVA

LA STORIA DELLA FISICA TRA PADOVA E IL MONDO

 

È dedicato a Giovanni Poleni (1683 – 1761) il Museo della Fisica dell’Università di Padova. Poleni – stimato da Eulero, Newton, Leibniz e Cassini – fu membro delle principali accademie europee e i suoi contributi scientifici sono innumerevoli. All’Università di Padova gli vengono nel tempo affidate ben cinque cattedre nelle discipline dell’astronomia, della filosofia naturale, della matematica, della fisica e della nautica.

Giovanni Poleni Museo
Ritratto di Giovanni Poleni. Immagine McTutor History of Mathematics, in pubblico dominio

Il Museo “Giovanni Poleni” dell’Università di Padova propone un vero e proprio “viaggio nel tempo”, dal Gabinetto di Fisica avviato a Padova da Giovanni Poleni nel 1739, fino alle ultime ricerche nel campo della Fisica. Una presentazione raffinata, coinvolgente ed emozionante, volta a mettere in risalto non solo le mille storie collegate ai vari strumenti, ma anche la bellezza di molti oggetti, che vengono esposti quasi come opere d’arte. L’idea è di portare il visitatore nel cuore del Gabinetto di Fisica di Padova, dal ‘700 in poi, fino a presentare il lavoro dei fisici di oggi in una piccola sezione temporanea dove via via saranno esposti strumenti del XXI secolo. Per l’inaugurazione, sarà esposto un pezzo di CMS, uno dei rivelatori dell’LHC del CERN di Ginevra.

Gli oggetti sono i protagonisti assoluti del Museo “Giovanni Poleni”: ognuno di loro narra molteplici storie che il nuovo allestimento vuole portare alla luce. Tra i moltissimi in esposizione: lo strumento usato da Poleni nella verifica della statica e nel restauro della cupola di S. Pietro in Vaticano, i termometri firmati da Angelo Bellani, il modello di battipalo con cui fu ricostruito a metà del Settecento il palladiano ponte di Bassano, uno ottocentesco di macchina a vapore pensato per la manifattura di tabacchi di Venezia, una delle prime cellule fotovoltaiche inventata e realizzata da Augusto Righi nel 1888, una straordinaria raccolta di radiografie realizzate da Giuseppe Vicentini tra il 16-18 gennaio 1896 solo due settimane dopo l’invenzione dei Raggi X, strumenti  per studiare i raggi cosmici e tanti altri quali microscopi, galvanometri, strumenti per lo studio della rifrazione e delle leggi della Fisica.

Busto di Giovanni Poleni. Il busto fa parte del Panteon Veneto, conservato presso Palazzo Loredan di Campo Santo Stefano a Venezia. Autore Luigi Baldin, immagine Istituto Veneto di Scienze, Lettere ed Arti, CC BY 4.0

Testo dall’Ufficio Stampa dell’Università di Padova.