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Scoperta una possibile causa del comportamento “strano” dei cuprati: un passo in avanti verso applicazioni dei superconduttori più sostenibili

Pubblicato su Nature Communications lo studio del Politecnico di Milano, della Chalmers University of Technology e della Sapienza Università di Roma.

Compiuto un significativo passo in avanti nella ricerca sulla superconduttività, la scoperta potrebbe aprire la strada a tecnologie sostenibili e contribuire a un futuro più rispettoso dell’ambiente.

Lo studio appena pubblicato su Nature Communications da ricercatori del Politecnico di Milano, della Chalmers University of Technology di Göteborg e della Sapienza Università di Roma chiarisce uno dei tanti misteri dei superconduttori ad alta temperatura critica, i cuprati: anche a temperature superiori a quella critica sono speciali, si comportano come metalli “strani”. Cioè la loro resistenza elettrica cambia con la temperatura in modo diverso da quella dei metalli normali.

La ricerca indica l’esistenza di un punto critico quantistico collegato alla fase denominata “metallo strano”.

“Un punto critico quantistico individua le condizioni specifiche in cui un materiale subisce un improvviso cambiamento nelle sue proprietà a causa di soli effetti quantistici. Così come il ghiaccio fonde e diventa liquido a zero gradi centigradi a causa degli effetti microscopici della temperatura, i cuprati diventano un metallo “strano” a causa delle fluttuazioni quantistiche di carica”

afferma Riccardo Arpaia, autore principale dello studio e ricercatore presso il Dipartimento di Microtecnologie e Nanoscienze di Chalmers.

Il punto critico quantistico (QCP) nel diagramma di fase dei cuprati è riconoscibile perché l’energia delle fluttuazioni di carica si avvicina a zero. I risultati sperimentali sono nel diagramma in secondo piano, l’andamento ideale è disegnato in primo piano

La ricerca si è basata su esperimenti di diffusione di raggi X condotti presso il Sincrotrone Europeo ESRF e il sincrotrone britannico Diamond Light Source, che hanno evidenziato l’esistenza di fluttuazioni della densità di carica capaci di influenzare la resistenza elettrica dei cuprati in modo tale da renderli “strani”. La misurazione sistematica di come varia l’energia di queste fluttuazioni ha permesso di identificare il valore esatto della densità di portatori di carica in corrispondenza della quale essa è minima: il punto critico quantistico.

Lo strumento ERIXS del Sincrotrone Europeo ESRF che ha permesso di misurare l’energia delle fluttuazioni di carica nei cuprati. Questo spettrometro è stato sviluppato in collaborazione con il POLIMI e ha il record del mondo di risoluzione

“Questo è il risultato di più di cinque anni di lavoro. Abbiamo usato una tecnica, chiamata RIXS, in gran parte sviluppata da noi del Politecnico di Milano. Grazie a numerose campagne di misura e a nuovi metodi di analisi dei dati abbiamo potuto dimostrare l’esistenza del punto critico quantistico. Capire bene i cuprati ci permetterà di progettare materiali ancora migliori, con temperature critiche più alte, e quindi più facili da sfruttare nelle tecnologie di domani”

aggiunge Giacomo Ghiringhelli, Professore del dipartimento di Fisica del Politecnico di Milano e coordinatore della ricerca.

“Questa scoperta rappresenta un progresso importante per la comprensione non solo delle proprietà anomale dello stato metallico dei cuprati, ma anche dei meccanismi ancora oscuri alla base della superconduttività ad alta temperatura”

afferma Sergio Caprara, Professore presso il Dipartimento di Fisica della Sapienza, che ha elaborato insieme ai colleghi del gruppo teorico di Roma la teoria che assegna alle fluttuazioni di carica un ruolo fondamentale nei cuprati.

Riferimenti:

Signature of quantum criticality in cuprates by charge density fluctuations – Riccardo Arpaia, Leonardo Martinelli, Marco Moretti Sala, Sergio Caprara, Abhishek Nag, Nicholas B. Brookes, Pietro Camisa, Qizhi Li, Qiang Gao, Xingjiang Zhou, Mirian Garcia-Fernandez, Ke-Jin Zhou, Enrico Schierle, Thilo Bauch, Ying Ying Peng, Carlo Di Castro, Marco Grilli, Floriana Lombardi, Lucio Braicovich & Giacomo Ghiringhelli – Nature Communications (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-42961-5

Testo e immagini dal Settore Ufficio stampa e comunicazione Sapienza Università di Roma

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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.

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 YBa₂Cu₃O_7-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

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