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In che modo i metamateriali potrebbero essere la chiave per la superconduttività ad alta temperatura
I metamateriali sono una delle meraviglie della fisica moderna. Realizzati utilizzando modelli 3D ripetuti di componenti elettronici come condensatori e resistori, i metamateriali interagiscono con le onde luminose, guidandole in modi impossibili con le cose ordinarie. Il risultato: più mantelli dell'invisibilità di quanti tu possa agitare una bacchetta.
Ma non c'è magia al lavoro. La teoria generale che spiega questo è nota come ottica di trasformazione. E la matematica dietro è formalmente analoga alle equazioni che descrivono come la massa deforma lo spaziotempo per generare gravità. Ecco perché i fisici sono stati in grado di utilizzare un metamateriale per simulare il modo in cui un buco nero intrappola la luce.
Ora Igor Smolyaninov e Vera Smolyaninova dell'Università del Maryland a College Park affermano che i metamateriali possono essere formalmente collegati a un'altra area della fisica: la superconduttività. In particolare, dicono che i superconduttori possono essere una forma speciale di metamateriale che guida gli elettroni invece della luce. Ciò solleva l'allettante possibilità che il segreto della superconduttività ad alta temperatura possa risiedere nello sviluppo di una nuova generazione di metamateriali che sfruttino ulteriormente questa idea.
Innanzitutto, un po' di sfondo. La superconduttività è il fenomeno della resistenza zero nei materiali raffreddati al di sotto di una certa temperatura critica. I superconduttori espellono anche i campi magnetici, un fenomeno noto come effetto Meissner.
Per molti anni dopo la scoperta della superconduttività nel 1911, i fisici erano perplessi su come fosse nata. Quindi, nel 1957, John Bardeen, Leon Cooper e John Schrieffer risolsero il problema utilizzando quella che oggi è nota come teoria BCS.
La loro idea è che a basse temperature, gli elettroni si raddoppiano per formare coppie di Cooper che viaggiano insieme attraverso il reticolo del materiale. Lo fanno con resistenza zero scambiando fononi, particelle quantistiche di vibrazione, con il reticolo.
In effetti, le coppie di rame vengono trascinate attraverso il reticolo da questi fononi, che liberano la strada da ostacoli, come altri elettroni. Ecco perché non c'è resistenza.
Questa capacità di guidare gli elettroni può sembrare familiare. Infatti, Smolyaninov e Smolyaninova affermano che i superconduttori ad alta temperatura come i BSCCO (ossidi di bismuto stronzio calcio rame che superconducono a oltre 100 K) hanno una somiglianza formale con i metamateriali che i fisici hanno già costruito per guidare la luce.
Questo perché sono costituiti da strati di atomi con proprietà metalliche intervallati da strati di atomi che hanno proprietà dielettriche (vedi diagramma). In effetti, sono i metamateriali ultimi costruiti su scala atomica.
Ciò solleva l'affascinante prospettiva che i fisici possano un giorno progettare i propri metamateriali superconduttori. E con una migliore comprensione di come esattamente questi strati guidano gli elettroni con resistenza zero, potrebbe anche essere possibile realizzare materiali che superconducono a temperature più elevate di quelle possibili oggi. Sosteniamo che l'approccio metamateriale all'ingegneria della risposta dielettrica può aumentare considerevolmente la temperatura critica di un metamateriale composito superconduttore-dielettrico, affermano.
Sentiamo la temperatura della stanza? Forse non ancora. Questa è solo un'idea al momento e numerose sfide significative ci attendono. Il primo è trovare un modo per progettare un metamateriale superconduttore e prevederne le proprietà superconduttive. Dopo di che sarebbe venuta la sfida significativa di sintetizzarlo.
Entrambe queste imprese sembrano essere in qualche modo lontane. Tuttavia, la scienza dei metamateriali si è evoluta rapidamente. In soli dieci anni, è passato dalla narrativa fantasy alla costruzione di mantelli dell'invisibilità funzionanti, buchi neri artificiali e persino universi sintetici.
Ecco perché solo uno sciocco scommetterebbe che la superconduttività non sarà la prossima tacca sulla colonna del letto in metamateriale.
Rif: arxiv.org/abs/1311.3277 : Esiste un percorso metamateriale verso la superconduttività ad alta temperatura?