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Un nuovo superconduttore
Una nuova classe di superconduttori ad alta temperatura, scoperta all'inizio di quest'anno, si comporta in modo molto diverso rispetto ai superconduttori rame-ossigeno precedentemente noti. Invece, i nuovi materiali sembrano seguire un meccanismo di superconduttività riscontrato in precedenza solo in materiali che sono superconduttori a temperature molto basse, Chia-Ling Chien e i suoi colleghi della Johns Hopkins University riferiscono in un online Natura carta.
Nessuna resistenza: I nuovi superconduttori contengono strati alternati di arseniuro di ferro (arancione e rosso) e ossidi di metalli delle terre rare (blu e grigio) drogati con fluoro (verde). I composti di arseniuro di ferro diventano superconduttori a temperature relativamente elevate di 55 K e i ricercatori stanno ora iniziando a decifrare il loro meccanismo superconduttore.
L'intuizione è un passo importante verso la comprensione del funzionamento dei superconduttori e potrebbe aiutare i ricercatori a progettare materiali ancora migliori. I superconduttori ad alta temperatura potrebbero portare a macchine per la risonanza magnetica più economiche; cavi di alimentazione più piccoli e leggeri; e reti elettriche molto più efficienti e sicure dal punto di vista energetico. I servizi pubblici, ad esempio, potrebbero utilizzare magneti superconduttori per immagazzinare energia durante la notte e quindi utilizzarla nelle ore di picco della domanda al mattino e alla sera.
I materiali superconduttori conducono la corrente elettrica senza perdite quando vengono raffreddati al di sotto di una certa temperatura, chiamata temperatura critica. Le leghe di niobio, utilizzate per realizzare magneti superconduttori per macchine per la risonanza magnetica, sono superconduttrici solo al di sotto di 10 K. I composti rame-ossigeno, o cuprati, che sono stati scoperti alla fine degli anni '80, sono superconduttori a temperature molto più elevate, da 90 a 138 K. A queste temperature , l'azoto liquido economico e facile da usare può essere impiegato come refrigerante. (I cuprate non vengono utilizzati per i magneti per risonanza magnetica perché è difficile e costoso ricavarne dei cavi.) E alcuni produttori stanno realizzando cavi superconduttori raffreddati ad azoto per le linee di trasmissione.
Ma i ricercatori hanno a lungo cercato di trovare materiali con temperature critiche ancora più elevate. Il Santo Graal sta operando [superconduttori] a temperatura ambiente, dice il fisico Jeffrey Lynn , che studia i superconduttori al National Institute of Standards and Technology. I cavi di alimentazione superconduttori, le macchine per la risonanza magnetica e i dispositivi di accumulo di energia sarebbero più economici e più piccoli se non avessero bisogno di raffreddamento.
I nuovi superconduttori di arseniuro di ferro hanno mostrato il potenziale per raggiungere temperature critiche elevate. Gli scienziati del Tokyo Institute of Technology hanno riferito per la prima volta in un articolo di febbraio in Giornale della Società Chimica Americana che un materiale di arseniuro di ferro lantanio diventa superconduttore a 26 K. Da allora, i ricercatori cinesi hanno spinto la temperatura critica fino a 55 K. Non è così alta come le temperature superconduttive per i cuprati, ma Chien di Johns Hopkins dice che questo è un nuovo materiale da esplorare, e si spera di ottenere temperature ancora più alte.
La struttura chimica del nuovo materiale lo rende particolarmente interessante. Contiene ossidi di metalli delle terre rare racchiusi tra strati di arseniuro di ferro. La struttura consente molte modifiche che modificano le proprietà del materiale, afferma Lynn. I ricercatori possono, ad esempio, sostituire il ferro, l'arsenico oi metalli delle terre rare con altri elementi. In effetti, i ricercatori cinesi hanno sostituito il lantanio nel materiale originale giapponese con altri metalli delle terre rare, come il samario, per aumentare la temperatura critica sopra i 50 K. Ci sono molti diversi tipi di sostituzioni chimiche che puoi provare, dice Lynn. In realtà sono più flessibili dei cuprati.
I nuovi superconduttori potrebbero anche avere un altro vantaggio cruciale, afferma David Christen, che guida la ricerca sui superconduttori presso l'Oak Ridge National Laboratory. Sebbene i cavi di alimentazione cuprati debbano essere fabbricati come nastri piatti appositamente progettati, potrebbe essere più facile realizzare fili da semiconduttori di arseniuro di ferro. Questi materiali potrebbero essere più pratici dei cuprati se risultasse che sono più facili e meno costosi da realizzare, afferma Christen.
I ricercatori sperano anche che gli arseniuri di ferro aiutino a svelare il mistero di come funzionano i superconduttori ad alta temperatura. Questa sarà la chiave per la progettazione di materiali con temperature critiche ancora più elevate. Nei superconduttori che funzionano a temperature molto basse, come il niobio e il piombo, gli elettroni formano coppie al di sotto della temperatura critica. Gli atomi oi difetti del cristallo non hanno l'energia necessaria per rompere la coppia e deviare gli elettroni. Quindi la coppia di elettroni sfreccia intorno al materiale senza impedimenti, dando origine alla superconduttività. Ma questa teoria dell'accoppiamento non vale per i materiali rame-ossigeno ad alta temperatura.
nella loro Natura carta, Chien e i suoi colleghi mostrano prove che suggeriscono che la teoria dell'accoppiamento potrebbe essere valida per i superconduttori di arseniuro di ferro. L'accoppiamento degli elettroni è l'anima del superconduttore, dice Chien. Se i nuovi materiali seguono la teoria del [pairing], allora … saremo in grado di capire i materiali un po' più facilmente.
Saranno necessarie ulteriori prove da esperimenti condotti con molti diversi composti di arseniuro di ferro per confermare come funzionano i superconduttori, afferma Pengcheng Dai , professore di fisica all'Università del Tennessee, a Knoxville. Il lavoro di Johns Hopkins è solo un pezzo del puzzle, dice. Infatti, mentre il meccanismo di accoppiamento degli arseniuri di ferro potrebbe essere diverso da quello dei composti rame-ossigeno, i due materiali hanno anche somiglianze. In un recente articolo online, pubblicato anche su Natura , Dai e Lynn hanno dimostrato che i due materiali condividono proprietà magnetiche chiave. Ed entrambi i materiali hanno anche una struttura a strati simile.
Potrebbe essere troppo presto per dire quanto saranno utili i superconduttori di arseniuro di ferro. Per ora, Dai afferma che i ricercatori sono entusiasti di aver rotto il monopolio di 22 anni dei cuprati e di avere un nuovo superconduttore ad alta temperatura con cui giocare.