Fisici ascoltano il rumore elettrico per risolvere 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. La ricerca, pubblicata su Science, ha rivelato nuove informazioni sull’interazione tra elettroni e la formazione di coppie, un fenomeno cruciale per la superconduttività. Gli scienziati hanno analizzato il comportamento degli elettroni in materiali a base di rame, noti come cuprati, e hanno scoperto che il rumore elettrico può indicare la presenza di coppie di elettroni, chiamate Cooper pairs, che sono responsabili del flusso di corrente senza resistenza.

Il mistero dei “missing electrons”

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. “Al di sopra della temperatura alla quale i cuprati diventano superconduttori, alcuni elettroni sembrano scomparire – le misurazioni trovano molto meno elettroni a certe energie dove dovrebbero essere”. Questo fenomeno ha suscitato dibattiti tra i fisici, che hanno avanzato due ipotesi principali: una suggerisce che gli elettroni si bloccano in strutture, mentre l’altra propone che si uniscano in coppie.

Ascoltare il rumore per capire le coppie

Per risolvere il dilemma, i ricercatori hanno utilizzato un microscopio a scansione tunnel, un dispositivo che permette di misurare il rumore elettrico in modo dettagliato. “Se hai due elettroni che si muovono sempre insieme, a causa della loro associazione in coppie, allora ci sarà più rumore”, ha spiegato Allan. Il team ha osservato il rumore a livelli specifici di energia e in diversi punti della superficie del campione. In condizioni normali, la formazione di coppie produce un aumento netto del rumore, ma nei cuprati, il segnale è più debole a causa della presenza di elettroni singoli che si muovono insieme alle coppie.

Per distinguere il rumore causato dalle coppie da altri fattori, come il movimento degli atomi sulla superficie, i ricercatori hanno impiegato molto tempo e sforzi. Il rumore è estremamente difficile da interpretare, e questo era l’aspetto che ci ha dato le notti insonni. La soluzione è arrivata quando i ricercatori hanno esposto i campioni a campi magnetici fino a sei tesla, che inibiscono la formazione di coppie. Quando il campo aumentava, il rumore si riduceva, confermando che le coppie erano responsabili del fenomeno.

La ricerca ha rivelato che le coppie di elettroni si formano prima che il materiale diventi superconduttore, un fenomeno che potrebbe aprire nuove strade per migliorare la superconduttività. Questo suggerisce che il limite alla superconduttività non è la formazione delle coppie, ma la loro capacità di muoversi insieme. Tuttavia, i ricercatori non hanno ancora risposto alla domanda principale: il pseudogap potrebbe essere causato da strutture bloccate o da una combinazione di effetti. “Non crediamo che sia così semplice”, ha detto Allan, sottolineando che altri fattori potrebbero influenzare il fenomeno.

Nonostante i progressi, i fisici riconoscono che la strada verso superconduttori a temperatura ambiente è lunga. “Spero che altri gruppi possano esplorare il fenomeno a temperature più elevate”, ha concluso Allan. Mentre alcuni vedono un futuro promettente, altri sottolineano che la ricerca richiede ulteriori sforzi, sia nella fisica che nella chimica, supportati da tecnologie come l’intelligenza artificiale. La ricerca rappresenta un passo avanti, ma il mistero dei cuprati resta ancora da risolvere.