Attraverso il loro studio dei film bidimensionali di seleniuro di ferro (FeSe), un team di ricerca dell’Università di Yale ha sbloccato alcuni indizi intriganti sulla superconduttività.
I superconduttori – materiali che possono trasportare elettroni senza resistenza – sono un fenomeno quantistico con numerose applicazioni. Hanno affascinato fisici e ingegneri fin dalla loro scoperta più di 100 anni fa, ma i meccanismi dei moderni superconduttori non sono ancora completamente compresi e rimangono una delle aree di ricerca più attive nei materiali quantistici.
Da quando è stato scoperto nel 2012, FeSe nella sua forma monostrato di tre atomi di spessore ha ricevuto molta attenzione dai ricercatori per le sue insolite proprietà superconduttive. In forma sfusa, diventa un superconduttore a 8 Kelvin, o -265 Celsius. Come monostrato, però, inizia a supercondurre a circa 70 Kelvin, o 203 gradi sotto zero – ancora molto freddo, ma si muove nella giusta direzione. In una collaborazione con l’Università della British Columbia, i ricercatori di Yale hanno fatto luce sul comportamento degli elettroni in questo sistema, che potrebbe rivelarsi la chiave per comprendere la superconduttività stessa. I risultati sono pubblicati su Nature Communications.
I ricercatori di Yale, Charles Ahn, Fred Walker, Juan Jiang, e Sangjae Lee, hanno lavorato con i ricercatori dell’Università della British Columbia guidati da Ke Zou, un professore assistente (ed ex associato post-dottorato a Yale).
Utilizzando una delle fonti di luce di sincrotrone più avanzate del mondo, ospitata presso il Quantum Materials Spectroscopy Centre dell’Università della British Columbia, i ricercatori hanno potuto studiare da vicino la struttura elettronica del materiale. Gli autori sono in grado di dimostrare che ci sono una serie di stati elettronici, noti come bande di replica, che sono modificati dall’accoppiamento elettrone-fonino. Questi possono essere ricondotti agli orbitali elettronici degli atomi nel monostrato. La qualità del materiale e la sensibilità delle misure hanno permesso ai ricercatori di analizzare quantitativamente questi effetti per la prima volta. Ciò che hanno trovato è che l’intensità di queste bande di replica non può essere spiegata in modo soddisfacente dalle teorie esistenti della superconduttività. La scoperta getta nuova luce su questo importante sistema, ma ci sono ancora altri studi necessari per svelare completamente l’origine della superconduttività potenziata.
“È un risultato tempestivo che sfrutta i recenti progressi nelle strutture spettroscopiche su larga scala”, ha detto Ahn, il John C. Malone Professor di fisica applicata, ingegneria meccanica e scienza e fisica dei materiali. “I risultati mettono alla prova diverse teorie, anche se non abbiamo ancora una risposta definitiva. Questo esperimento fornisce un altro pezzo del puzzle”.
Uno svantaggio dei superconduttori usati commercialmente – magneti per le risonanze magnetiche, per esempio – è che richiedono elio liquido, che è molto costoso, per raffreddarli a temperature abbastanza basse. La scoperta del team di ricerca è un passo verso il cambiamento.
“Una delle cose veramente eccitanti nel campo ora è la possibilità di ottenere un superconduttore a temperatura ambiente”, ha detto Walker, ricercatore senior in fisica applicata. “E la comprensione dei meccanismi della superconduttività a questo livello dettagliato sembra un percorso eccitante per raggiungere questo obiettivo”.
