Coppie di Cooper superconduttive fra elettroni

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Ecco un nuovo stato della materia: il metallo bosonico. Le coppie di Cooper, le coppie di elettroni responsabili della superconduttività di certi materiali, possono anche condurre elettricità come in un normale metallo.

Un materiale che conduce elettricità come se fosse un normale metallo, ma che tanto normale non è visto che a trasportare la corrente non sono elettroni solitari ma le coppie di Cooper, duetti di elettroni che si comportano come bosoni e che sono alla base della superconduttività. A scoprire questo nuovo stato della materia sono stati i ricercatori della Brown University, che hanno osservato sperimentalmente come le coppie di Cooper possano anche condurre elettricità con una certa resistenza, come avviene appunto nei comuni metalli. Un fenomeno sorprendente, che – come sostengono i ricercatori su Science – richiederà una nuova spiegazione teorica.

Coppie di Cooper fra Elettroni
Coppie di Cooper fra Elettroni

Superconduttori e isolanti

Per capire l’entusiasmo dei ricercatori dobbiamo fare un salto indietro agli anni ’70, quando il fisico Leon Cooper descrisse il fenomeno della superconduttività, individuando il ruolo di coppie di elettroni (chiamate poi coppie di Cooper) in grado di muoversi liberamente nel materiale senza incontrare resistenza – spiegazione che gli valse il premio Nobel nel 1972.

Bisogna sapere che le particelle quantistiche si dividono in fermioni e bosoni, a seconda del valore (intero o semi intero) di una proprietà chiamata spin. Gli elettroni sono dei fermioni e quando si muovono da soli in un metallo si scontrano tra loro perché non possono occupare lo stesso spazio; invece quando si uniscono in una coppia di Cooper si comportano come bosoni (che possono scivolare l’uno nell’altro) e si coordinano con altre coppie di Cooper riducendo la resistenza a zero. Ed ecco un superconduttore.

Nel 2007, poi, il fisico Jim Valles e l’ingegnere Jimmy Xu della Brown University dimostrarono che le coppie di Cooper potevano anche produrre degli stati isolanti: in materiali molto sottili, anziché dare origine a un movimento coordinato, le coppie si accordano per bloccarsi sul posto costituendo delle isole.

Un nuovo stato della materia

Valles e Xu, però, credevano che non fosse tutto qui, che le coppie di Cooper potessero assumere altri comportamenti che non erano ancora stati in grado di vedere sperimentalmente.

Ora, infine, sembrano esserci riusciti. In un modello di superconduttore a film sottile, costituito da una matrice a piccoli fori di ossido di ittrio bario e rame, quando si applica un campo magnetico in condizioni di temperatura di -181°C (che è elevata se si pensa che i superconduttori funzionano a temperature solo di poco superiori allo zero assoluto, cioè – 273,15°C), la corrente che lo attraversa è dovuta al movimento di coppie di Cooper che però incontrano resistenza, come gli elettroni in un normale metallo.

“Siamo in grado di misurare la frequenza con cui queste cariche circolano”, ha commentato Valles. “In questo caso, abbiamo scoperto che la frequenza è coerente con la presenza di due elettroni alla volta che girano [attorno ai fori della matrice] e non di uno solo. Quindi possiamo concludere che i portatori di carica in questo stato sono coppie di Cooper e non singoli elettroni”.

Che le coppie di Cooper siano responsabili di quello che alla fine è uno stato metallico è in assoluto una novità, spiegano i ricercatori. Ed è anche una sorpresa perché per certi principi di fisica quantistica questo comportamento bosonico non dovrebbe essere possibile.

Saranno di certo necessarie ulteriori ricerche per confermare queste prime osservazioni e nel caso bisognerà spiegare il fenomeno dal punto di vista teorico, ma potremmo essere sul punto di veder nascere una nuova fisica, da sfruttare per creare nuovi tipi di dispositivi elettronici.

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