Straordinario comportamento di materiali straordinari
Nell’ambito del progetto IMAX (Improvement of materials with X-rays), gli scienziati hanno usato la scansione di micro diffrazione dei raggi x per studiare i sottili cambiamenti nella struttura di un materiale superconduttore cuprato alle alte temperature. In particolare, è stato possibile analizzare in grande dettaglio la distribuzione degli elettroni. Invece dello striping uniforme atteso, gli scienziati hanno osservato un miscuglio di aggregati di particelle di varie forme e dimensioni. Ulteriori ricerche hanno rivelato che la densità degli aggregati era legata alla quantità di doping necessaria per creare questo particolare superconduttore. A complicare le cose, la distribuzione delle dimensioni degli aggregati seguiva una legge esponenziale, suggerendo che essi si formino in modo simile ai frattali. Questa auto-organizzazione pseudofrattale aveva impressionanti similitudini con la disomogeneità spaziale di un altro materiale cuprato superconduttore a temperatura inferiore. Tali risultati suggeriscono che il percorso per la comprensione della superconduttività può essere più complesso di quanto inizialmente pensato. Essi offrono anche possibilità non ancora esplorate. I superconduttori sono sistemi in cui la meccanica quantistica può conciliarsi con le leggi della fisica classica. In particolare i campi magnetici penetrano i materiali superconduttori sotto forma di piccoli vortici che mostrano proprietà sia classiche, sia quantistiche. Ciò ha condotto gli scienziati di IMAX a studiarli al fine di far luce su uno dei fenomeni più enigmatici nella moderna fisica della materia condensata: la transizione di Mott. Questo complesso fenomeno è controllato dalle interazioni di molte particelle quantistiche, e non è chiaro se si tratti di un fenomeno classico o quantistico. Inoltre la transizione di Mott, in cui una transizione di fase da isolante a stato metallico è indotta da una corrente elettrica che scorre attraverso il materiale, non è mai stata osservata direttamente. In questo contesto, gli scienziati hanno costruito un sistema contenente 90 000 isole nanometriche di niobio superconduttore su una pellicola d’oro. In questa configurazione, i vortici si sono convertiti in fossette di energia e hanno fatto sì che il materiale si comportasse come un isolante di Mott. Applicando una corrente elettrica abbastanza elevata, è stato possibile osservare direttamente una transizione di Mott quando il sistema si è trasformato in un metallo conduttore. In altre parole,la transizione di fase è stata indotta da uno stato di vortici bloccati a uno stato di vortici itineranti quando la corrente ha spinto il materiale fuori dall’equilibrio. Si tratta di un sistema classico facile da sperimentare, che può essere utilizzato per migliorare la nostra comprensione della fisica fuori equilibrio. È importante aggiungere che tali nette transizioni di fase si osservano anche nei film di ossidi complessi all’aumentare del loro spessore. Il team di IMAX ha coltivato pellicole sottili di un ossido di perovskite su un materiale amagnetico, utilizzando una tecnica chiamata deposizione a laser pulsato. Con l’aggiunta di un sesto strato dello specifico ossido di perovskite, il materiale è passato da antiferromagnetico a ferromagnetico. Una tale brusca transizione non era mai stata osservata in precedenza. Importante resta la previsione, da parte degli scienziati, che questa eccezionale caratteristica dell’ossido di perovskite non sia limitata ai cambiamenti dello spessore del film, ma possa funzionare anche con altre manipolazioni, ad esempio con l’applicazione di campi elettrici. Sono già in corso ulteriori ricerche volte a trovare un utilizzo dell’effetto nelle tecnologie informatiche e dei sensori.
Parole chiave
Superconduttore, IMAX, raggi X, materiale cuprato, transizione di Mott, ossido di perovskite
