Gli ossidi di palladio potrebbero produrre superconduttori migliori

May 27, 2023

I palladati, materiali a base di ossido basati sull'elemento palladio, potrebbero essere utilizzati per realizzare superconduttori che funzionano a temperature più elevate rispetto ai cuprati (ossidi di rame) o ai nichelati (ossidi di nichel), secondo i calcoli dei ricercatori dell'Università di Hyogo, Giappone, TU Wien e colleghi. Il nuovo studio identifica inoltre due di questi palladati come “virtualmente ottimali” in termini di due proprietà importanti per i superconduttori ad alta temperatura: la forza di correlazione e le fluttuazioni spaziali degli elettroni nel materiale.

I superconduttori sono materiali che conducono elettricità senza resistenza quando raffreddati al di sotto di una certa temperatura di transizione, Tc. Il primo superconduttore scoperto fu il mercurio solido nel 1911, ma la sua temperatura di transizione è solo pochi gradi sopra lo zero assoluto, il che significa che è necessario un costoso refrigerante liquido a base di elio per mantenerlo nella fase superconduttrice. Diversi altri superconduttori "convenzionali", come vengono conosciuti, furono scoperti poco dopo, ma tutti hanno valori di Tc altrettanto bassi.

A partire dalla fine degli anni ’80, tuttavia, è emersa una nuova classe di superconduttori “ad alta temperatura” con Tc superiore al punto di ebollizione dell’azoto liquido (77 K). Questi superconduttori "non convenzionali" non sono metalli ma isolanti contenenti ossidi di rame (cuprati) e la loro esistenza suggerisce che la superconduttività può persistere anche a temperature più elevate. Recentemente, i ricercatori hanno identificato i materiali basati sugli ossidi di nichel come buoni superconduttori ad alta temperatura allo stesso modo dei loro cugini cuprato.

Uno degli obiettivi principali di questa ricerca è trovare materiali che rimangano superconduttori anche a temperatura ambiente. Tali materiali migliorerebbero notevolmente l’efficienza dei generatori elettrici e delle linee di trasmissione, rendendo allo stesso tempo più semplici ed economiche le applicazioni comuni della superconduttività (compresi i magneti superconduttori negli acceleratori di particelle e nei dispositivi medici come gli scanner MRI).

La teoria classica della superconduttività (nota come teoria BCS dalle iniziali dei suoi scopritori, Bardeen, Cooper e Schrieffer) spiega perché il mercurio e la maggior parte degli elementi metallici superconducono al di sotto della loro Tc: i loro elettroni fermionici si accoppiano per creare bosoni chiamati coppie di Cooper. Questi bosoni formano un condensato coerente di fase che può fluire attraverso il materiale come una supercorrente che non subisce dispersione e come risultato appare la superconduttività. La teoria, tuttavia, non è all’altezza quando si tratta di spiegare i meccanismi alla base dei superconduttori ad alta temperatura. In effetti, la superconduttività non convenzionale è un problema fondamentale irrisolto nella fisica della materia condensata.

Per comprendere meglio questi materiali, i ricercatori devono sapere come sono correlati gli elettroni di questi metalli di transizione 3D e quanto fortemente interagiscono tra loro. Anche gli effetti di fluttuazione spaziale (che sono rafforzati dal fatto che questi ossidi sono tipicamente realizzati come materiali bidimensionali o a film sottile) sono importanti. Sebbene tecniche come le perturbazioni diagrammatiche di Feynman possano essere utilizzate per descrivere tali fluttuazioni, non sono sufficienti quando si tratta di catturare effetti di correlazione come la transizione metallo-isolante (Mott), che è uno dei capisaldi della superconduttività ad alta temperatura.

È qui che entra in gioco un modello noto come teoria del campo medio dinamico (DMFT). Nel nuovo lavoro, i ricercatori guidati dal fisico dello stato solido della TU Wien Karsten Held hanno utilizzato le cosiddette estensioni diagrammatiche di DMFT per studiare il comportamento superconduttore di diversi composti di palladato.

I superconduttori cuprati contengono uno strano componente

I calcoli, dettagliati in Physical Review Letters, rivelano che l’interazione tra gli elettroni deve essere forte, ma non troppo forte, per raggiungere temperature di transizione elevate. Né i cuprati né i nichelati sono vicini a questa interazione ottimale di tipo medio, ma i palladati sì. "Il palladio si trova direttamente una linea sotto il nichel nella tavola periodica", osserva Held. "Le proprietà sono simili, ma gli elettroni sono in media un po' più lontani dal nucleo atomico e tra loro, quindi l'interazione elettronica è più debole."