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Introduzione

J. Valles professore di fisica alla Brown University, in collaborazione con il professore di ingegneria e fisica Jimmy Xu, anch’esso della Brown University, hanno realizzato uno studio, pubblicato sulla rivista Science, con cui hanno scoperto un nuovo stato della materia: coppie di Cooper “in metallo”. Questa scoperta, in futuro, potrebbe portare alla realizzazione di nuovi dispositivi elettronici e non solo.

Le coppie di Cooper

Le coppie di Cooper prendono il loro nome da Leon Cooper, professore di fisica alla Brown che ha vinto il premio Nobel nel 1972 per aver descritto il loro ruolo nel consentire la superconduttività.

A temperatura ambiente gli elettroni, che si possono muovere liberamente in un metallo, sono disturbati dalle vibrazioni termiche degli atomi circostanti, un fenomeno che si manifesta come resistenza elettrica. Nei superconduttori, al di sotto della cosiddetta temperatura critica, gli elettroni si accoppiano a due a due, comportandosi diversamente dagli elettroni liberi, non risentendo delle vibrazioni atomiche, permettendo il fluire della corrente senza resistenza.

Ma quando gli elettroni si uniscono per diventare coppie di Cooper, subiscono una notevole trasformazione. Gli elettroni da soli sono fermioni, particelle che obbediscono al principio di esclusione di Pauli, il che significa che ogni elettrone tende a mantenere il proprio stato quantico. Una coppia di elettroni di Cooper si comporta, invece, come un’unica particella con spin intero, 0 o 1 a seconda dell’orientazione di spin dei singoli costituenti. Pertanto le sue proprietà non rientrano più nel campo delle statistiche dei fermioni, ma di quelle dei bosoni. Questo comportamento bosonico consente alle coppie di Cooper di coordinare i loro movimenti con altri gruppi di coppie di Cooper in modo da ridurre la resistenza a zero. 

La nuova scoperta

Valles e Xu, avevano già lavorato insieme nel 2007 quando avevano dimostrato che le coppie di Cooper potevano comportarsi, in determinate condizioni, sia come superconduttori sia come isolanti, un qualcosa che gli stessi all’epoca definirono “un risultato un po’ controintuitivo”.

Ora, in un nuovo articolo pubblicato su Science, i due fisici sono riusciti a dimostrare che le coppie di Cooper possono anche condurre elettricità con una certa resistenza, come fanno i metalli normali. I risultati descrivono uno stato della materia completamente nuovo, affermano i ricercatori, che richiederà una nuova spiegazione teorica. 

C’erano prove che questo stato metallico sarebbe emerso nei superconduttori a film sottile man mano che si raffreddavano verso la loro temperatura superconduttiva, ma se lo stato coinvolgesse o meno le coppie di Cooper era una domanda senza risposta“, ha affermato J. Valles. “Abbiamo sviluppato una tecnica che ci consente di dare risposta a quella domanda e abbiamo dimostrato che, in effetti, le coppie di Cooper sono responsabili del trasporto della carica in questo stato metallico. L’aspetto interessante è che nessuno è abbastanza sicuro di come fondamentale lo fanno; quindi, questa scoperta richiederà un po ‘più di lavoro teorico e sperimentale per capire esattamente cosa stia succedendo “.

La tecnica impiegata

Per questo nuovo studio, Valles e Xu (oltre ad alcuni colleghi in Cina, Chao Yang et al.), hanno cercato coppie di Cooper nello stato metallico usando una tecnica simile a quella che ha rivelato gli isolanti delle coppie di Cooper. La tecnica prevede la modellatura di un superconduttore a film sottile – in questo caso un superconduttore ad alta temperatura di ossido di ittrio bario e rame (YBCO) – con matrici di piccoli fori. Quando il materiale ha una corrente che lo attraversa ed è esposto a un campo magnetico, i portatori di carica nel materiale orbitano attorno ai fori. 

“Siamo in grado di misurare la frequenza con cui queste cariche circolano“, ha detto Valles. “In questo caso, abbiamo scoperto che la frequenza è coerente con la presenza di due elettroni che girano invece di uno solo. Quindi possiamo concludere che i portatori di carica in questo stato sono coppie di Cooper e non singoli elettroni“.

Il risultato inaspettato

L’idea che le coppie di Cooper simili a bosoni siano responsabili di questo stato metallico è una sorpresa, affermano i ricercatori, perché ci sono elementi di teoria quantistica che suggeriscono che ciò non dovrebbe essere possibile. Quindi capire esattamente cosa stia succedendo in questo stato potrebbe portare ad una nuova eccitante fisica, ma saranno necessarie ulteriori ricerche.

Gli autori dello studio, inoltre, affermano che, fortunatamente, questo fenomeno è stato rilevato in un superconduttore ad alta temperatura (rispetto ad altri) il che renderà più pratica la ricerca futura. YBCO, infatti, inizia a supercondurre a circa -181 gradi Celsius e la fase metallica inizia a temperature appena superiori. Sono abbastanza freddi, ma molto più caldi di altri superconduttori che sono attivi appena sopra lo zero assoluto. Quella temperatura più alta rende più facile usare la spettroscopia e altre tecniche volte a capire meglio cosa stia succedendo in questa fase metallica.

Future applicazioni

In prospettiva, i fisici ritengono che potrebbe essere possibile sfruttare questo stato di “metallo bosonico” per nuovi tipi di dispositivi elettronici. Questo perchè i bosoni tendono a trovarsi in uno stato simile a quello degli elettroni. Valles, a riguardo afferma, infatti, che: “loro hanno una fase e creano interferenze più o meno allo stesso modo della luce. Quindi potrebbero esserci nuove modalità per spostare la carica nei dispositivi “giocando” con l’interferenza tra i bosoni“.

I ricercatori, al momento, sono felici di aver scoperto un nuovo stato della materia e si preparano ad effettuare ulteriori ricerche. “La scienza si basa sulle scoperte“, ha detto Xu, “ed è bello aver scoperto qualcosa di completamente nuovo.”

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