Potrebbe essere una svolta decisiva per lo sfruttamento della superconduttività a fini applicativi quella annunciata sulle pagine della rivista “Nature” da J. J. Lee e colleghi della Stanford University. Un sottile strato di seleniuro di ferro conduce infatti l'elettricità senza fenomeni di resistenza a una temperatura molto più elevata rispetto a quelle osservate di norma nei superconduttori, a patto che sia accoppiato a un altro materiale denominato STO.

In tutti i conduttori convenzionali, il trasporto della corrente elettrica è legato al fenomeno della resistività, dovuta al fatto che la struttura interna del materiale offre una resistenza al movimento degli elettroni. Con la diminuzione della temperatura, si riducono le vibrazioni degli atomi che costituiscono il materiale, e gli elettroni possono scorrere più liberamente: per questo, la resistività diminuisce via via che la temperatura scende.
Anche nei materiali considerati ottimi conduttori, come e rame e oro, rimane una resistività residua che non si può eliminare abbassando ulteriormente la temperatura. Nei materiali superconduttori, invece, al di sotto di una cosiddetta temperatura critica, la corrente può scorrere senza alcuna resistenza. Il fenomeno è riconducibile al fatto che gli elettroni non si trovano più a muoversi da soli ma si appaiano, formando le cosiddette coppie di Cooper.

Da decenni, infatti l'obiettivo della ricerca nel campo della superconduttività è arrivare a materiali che trasportino la corrente senza fenomeni dissipativi a temperatura ambiente. La strada però è ancora lunga, considerando che quando si parla di superconduttività “ad alta temperatura” ci si riferisce a un regime di operatività che non supera i -135 gradi Celsius.

Dal punto di vista applicativo, negli ultimi anni sono stati studiati diversi materiali e diversi accoppiamenti di materiali. L'accoppiamento usato dai ricercatori della Stanford University era stato sperimentato per la prima volta due anni fa da ricercatori della Tsinghua University a Pechino.

Questi ultimi avevano scoperto che quando un singolo strato di seleniuro di ferro è collocato sopra al STO, un materiale a base di stronzio, titanio e ossigeno, la sua temperatura massima di superconduzione passa da soli 8 gradi sopra lo zero assoluto a ben 77 gradi sopra lo zero assoluto, pari a -196 gradi Celsius. A quel tempo però nessuno era in grado di comprendere la fisica alla base di questo fenomeno.

In quest'ultimo studio, Lee e colleghi hanno sfruttato la luce di sincrotrone Stanford Linear Accelerator Center (SLAC). Questa radiazione elettromagnetica nello spettro X ha consentito, grazie a una tecnica denominata ARPES, un'analisi dettagliata del campione di materiale seleniuro di ferro-STO. In questo modo è stato possibile anche misurare energie e quantità di moto degli elettroni espulsi dal campione per effetto dell'urto con i raggi X.

Si è così potuto stabilire che le naturali vibrazioni del STO, che hanno una frequenza di mille miliardi di cicli al secondo, si trasferiscono al seleniuro di ferro in pacchetti distinti. Queste vibrazioni conferiscono agli elettroni l'energia necessaria alla formazione delle coppie di Cooper e alla superconduzione a temperature più elevate rispetto a quelle osservate di solito.

“Le nostre simulazioni mostrano che questo approccio, in cui le vibrazioni naturali di un materiale vengono sfruttate per migliorare la superconduttività di un altro, può essere utilizzato per aumentare la temperatura operativa dei superconduttori a base di ferro almeno del 50 per cento”, spiega Zhi-Xun Shen, autore senior dello studio.