Da superconduttore a superisolante. Un cambiamento decisamente radicale, nonché il primo a essere stato mai osservato. Senza contare il fatto che dei superisolanti finora non si conosceva proprio l’esistenza. Il primo caso, presentato su Nature il 3 aprile scorso, è stato osservato da un gruppo internazionale di ricerca guidato da Valerii Vinokur dell’Argonne National Laboratory, un laboratorio del Dipartimento di Stato per l’Energia nell’Illinois (Usa). Lo studio, che ha visto anche la partecipazione di Russia, Germania e Belgio, riguarda il nitruro di titanio, un materiale noto finora per la sua superconduttività.
Quando un conduttore è attraversato da corrente elettrica oppone una resistenza più o meno ampia, che di solito si manifesta con un riscaldamento che ne limita la capacità di trasportare corrente. I superconduttori sono materiali che, al di sotto di una data temperatura, non oppongono alcuna resistenza. Questa peculiare proprietà è un effetto di un ordinamento su scala macroscopica: gli elettroni si muovono in coppia, coordinandosi a due a due (coppie di Cooper). Come è facile intuire, un materiale isolante si comporta in modo opposto, ostacolando il passaggio degli elettroni.
Gli autori dell’articolo hanno scoperto che, al di sotto di una certa temperatura e in presenza di un campo magnetico, il nitruro di titanio mostra una conduttività elettrica pari a zero: in altre parole da superconduttore diventa superisolante, secondo il termine coniato dagli stessi ricercatori per definire questo particolare e nuovo stato della materia.
“I risultati di Vinokur e colleghi sono particolarmente sorprendenti”, commenta Rosario Fazio, docente di Fisica della materia presso la Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati (Sissa) di Trieste e coordinatore del gruppo di ricerca Quantum Transport&Quantum Information della Scuola Normale di Pisa, che ha firmato un commento al lavoro di Vinokur sullo stesso numero di Nature: “I loro esperimenti hanno rivelato un sistema fisico che ha una resistenza elettrica infinita. L’effetto è notevole perché questo stato si realizza a temperatura finita e non solamente allo zero assoluto, come tipicamente avviene in un isolante”.
Alla base delle proprietà del superisolante, spiega Fazio, sembrerebbe dominante quello stesso effetto dell’interazione coulombiana tra le coppie di Cooper che permette lo stato superconduttivo. Nel nitruro di titanio, però, le coppie di elettroni si muovono in canali ben definiti, delimitati da regioni isolanti: se queste sono sufficientemente piccole, al di sotto di una data temperatura le coppie di elettroni non sono più in grado di muoversi, e viene così totalmente impedito il passaggio di corrente elettrica.
Secondo gli autori è facile immaginare una gamma molto ampia di applicazioni per un materiale con queste proprietà, tra cui circuiti, sensori e schermi per batterie: un isolante perfetto infatti impedirebbe a una batteria di scaricarsi nel tempo. In realtà secondo Fazio sono applicazioni ancora lontane perché questi esperimenti sono comunque condotti a temperature molto basse (qualche decina di milliKelvin). Una delle prospettive presentate nello studio riguarda la possibilità di abbinare i superisolanti ai superconduttori. Il trasporto elettrico in strutture composte ha in passato riservato molte sorprese, anche di interesse tecnologico, come è accaduto con la magnetoresistenza gigante (Gmr), l’effetto che quest’anno ha valso il Nobel a suoi scopritori Peter Grünberg e Albert Fert, e per cui, in determinati materiali, piccoli cambiamenti del campo magnetico portano a grandi variazioni nella resistenza elettrica. L’effetto è stato utilizzato nell’ultimo ventennio per convertite i segnali elettrici in dati registrati magneticamente sugli hard disk, e la sua applicazione ha permesso la miniaturizzazione dei supporti informatici.
La ricerca nel campo della superconduttività in presenza di forte interazione tra gli elettroni è molto attiva anche in Italia: “Ci sono gruppi di altissimo livello che hanno dato contributi molto importanti”, conclude Fazio, “dalla quello della Sissa di Trieste con Michele Fabrizio, Sandro Sorella ed Erio Tosatti, a quello di Roma con Claudio Castellani, Carlo Di Castro e Marco Grilli. Il mio gruppo, in particolare, si sta occupando dello stesso argomento dello studio di Vinokur”.
