Ecco la forma degli elettroni nei superconduttori

Che forma hanno gli elettroni? Chiederselo non è affatto banale né trascendentale, perché calcolare la forma degli elettroni potrebbe aiutarci a capire qualcosa di più sulle proprietà dei materiali complessi. E questo è quanto abbiam fatto insieme a Yang He e Eugene Demler dell’Università di Harvard negli Stati Uniti, trovando qualche prima risposta. Insieme abbiamo infatti sviluppato un algoritmo che permette di visualizzare gli elettroni nei materiali superconduttori. Questa collaborazione, di cui parliamo in un articolo apparso di recente su Nature Physics, ha chiarito un mistero legato a una serie di esperimenti eseguiti negli ultimi 15 anni, e ha risolto un misterioso enigma scientifico. Prima però è necessario fare qualche premessa.

All’Università di Bar-Ilan, nella periferia di Tel-Aviv, mi occupo di meccanica quantistica. Secondo questa teoria contro-intuitiva ma corretta, tutte le particelle, inclusi gli elettroni, possono comportarsi come delle onde. Il problema è che la forma di questa onda è difficile da determinare, perché dipende dalle proprietà del materiale in cui si trova l’elettrone.

Durante gli anni Ottanta, l’invenzione dello STM (Scanning Tunneling Microscope, microscopio a effetto tunnel) uno straordinario microscopio ad alta risoluzione, ha permesso per la prima volta di vedere singoli atomi nei materiali. Ciononostante fino a oggi, gli scienziati avevano visto la forma degli elettroni solo in atomi isolati – nel vuoto – ma non in un materiale complesso formato da una lunga serie ordinata di atomi, in cui i singoli elettroni non sono distinguibili.

Insieme ai miei collaboratori, abbiamo sviluppato un algoritmo matematico che ci ha aiutato ad analizzare le misurazioni di STM ad alta precisione sui cuprati, composti chimici contenti rame e ossigeno, che presentano eccellenti proprietà superconduttive. Questo metodo ci ha permesso di riconoscere delle correlazioni ricorrenti nei dati sperimentali che ci hanno aiutato a riscostruire la forma degli elettroni in questi materiali.

La forma che abbiamo trovato appare nell’immagine (sopra) come un reticolato colorato che contiene zone positive (blue) e negative (rosse) dell’onda che descrive l’elettrone. Gli elettroni sono sospesi in una struttura ordinata di atomi: le sfere blue indicano gli atomi di ossigeno, e quelle rosse gli atomi di rame. Per la prima volta nella storia della scienza, siamo riusciti a isolare e confermare la forma peculiare degli elettroni in materiali complessi. La forma che abbiamo trovato coincide con la predizione fatta nel 1988 dai fisici teorici Zhang e Rice dell’ETH, il politecnico di Zurigo.

La nostra analisi ci ha permesso di offrire una spiegazione coerente di alcuni esperimenti dai risultati enigmatici, a cominciare da quello effettuato nel 2002 da Seamus Davis della Cornell University e dalla sua studentessa Jennifer Hoffman dell’Università di Harvard, che usarono l’STM per rivelare dei motivi ricorrenti nei contrasti degli atomi nei cuprati. Durante gli anni, molti ricercatori avevano cercato di spiegare questi risultati, ma fin ad oggi nessuno era riuscito a concepire una spiegazione soddisfacente di questi misteriosi segnali ricorrenti. Noi sospettavamo che fossero legati alla forma degli elettroni e, avendone mappato la forma nei cuprati, siamo stati in grado di offrire una semplice spiegazione per queste misurazioni sperimentali.

I superconduttori sono dei materiali che a temperature ambiente conducono male l’elettricità. Però se raffreddati sotto una data temperature– la temperatura critica – diventano una sorta di supereroi e conducono la corrente elettrica a resistenza zero, senza scaldarsi o sciogliersi. Questi materiali sono dunque molto interessanti per potenziali applicazioni in molte tecnologie futuristiche. La temperature critica massima che sia stata mai registrata è quella dei cuprati, che devono essere raffreddati a 135 gradi sotto lo zero per diventare superconduttori. I costi coinvolti nel raffreddamento sono terribilmente alti, spiegando la continua ricerca di materiali con la massima possibile temperatura critica, che diminuiscano i costi associati alla superconduttività. Dal momento che manca una metodo predefinito per generare nuovi materiali superconduttivi, molti laboratori in tutto il mondo, provano nuovi elementi in maniera casuale, sperando di scoprire il candidato perfetto. È un po’ come preparare una torta senza una ricetta: si spera che venga soffice, senza però sapere quali ingredienti ne determinino la consistenza.

Gli elettroni sono la “anima” dei materiali, determinano il loro colore, la loro conduttività, e la loro intera attività chimica. La nostra tecnica innovativa per decodificare la forma degli elettroni potrebbe permettere di progettare nuovi materiali intelligenti adatti alle necessità delle tecnologie del futuro. Ottenendo una migliore comprensione del comportamento dei materiali, potremmo essere sulla giusta strada per scoprire i prossimi superconduttori.