Gli artisti quantistici: atomi sotto pressione

Gli scienziati dei materiali non sono esattamente degli schizzinosi. Bloccano i materiali e spingono o tirano con grande forza finché i campioni non si rompono o si frantumano. Il laboratorio di Zurab Guguchia non è così rude. Il fisico del Centro di ricerca sui neutroni e i muoni del PSI non cerca di distruggere qualcosa, ma di creare qualcosa di nuovo. Ad esempio, sostanze esotiche che conducono l'elettricità senza perdite, anche ad alte temperature, o che presentano nuove proprietà magnetiche ed elettroniche. Se i suoi esperimenti avranno successo, potrebbero non solo fornire nuove conoscenze sulla fisica quantistica, ma anche aprire le porte ad applicazioni pratiche, come reti elettriche efficienti dal punto di vista energetico o motori elettrici che non richiedono magneti di terre rare. Questi metalli non sono realmente rari, ma la loro estrazione è complessa e costosa.

Il campione che Guguchia sta analizzando nel laboratorio di spettroscopia di spin muonico non è visibile ai visitatori del laboratorio. Il piccolo frammento di metallo è nascosto in un tubo, immerso in un liquido oleoso che esercita una leggera pressione su tutti i lati. Quando questa pressione idrostatica aumenta gradualmente, i dispositivi di misurazione mostrano valori sorprendenti. Improvvisamente, si instaura la superconduttività: la corrente elettrica scorre senza resistenza - innescata dalla sola pressione e senza la necessità di un raffreddamento estremo del campione, che normalmente è un prerequisito per la superconduttività.

Guguchia scopre effetti affascinanti nei suoi dati quasi ogni settimana. Pubblica regolarmente su riviste scientifiche rinomate, tra cui un articolo su Nature nel 2022 - un onore per qualsiasi ricercatore. Durante la conversazione, Guguchia lascia intendere che sono già in cantiere altre pubblicazioni.

Il suo ultimo studio riguarda un materiale con una struttura a strati, simile alla pasta sfoglia, dove ogni strato è spesso solo un atomo. Se si mette il campione sul bancone del laboratorio, non succede nulla. Ma se lo si blocca in un telaio mobile e lo si tira delicatamente, gli strati si allungano e si avvicinano l'uno all'altro, proprio come quando si stende la pasta. Se invece si posiziona il campione nel tubo pieno d'olio, la pressione idrostatica agisce uniformemente da tutti i lati. Se tutti i parametri sono corretti, accade qualcosa di magico: gli elettroni - particelle cariche negativamente che orbitano attorno ai nuclei atomici - iniziano a percepire gli elettroni degli strati vicini. Si creano così le cosiddette fasi quantistiche: Il materiale perde la sua resistenza elettrica e diventa superconduttore, diventa magnetico o sviluppa il cosiddetto ordine di carica, in cui i portatori di carica si dispongono in schemi regolari. Nei materiali quantistici, questi tre ordini spesso coesistono e interagiscono in modo complesso.

Conflitto di fasi quantistiche

I fisici conoscono molte fasi quantistiche diverse che producono diversi tipi di interazione tra gli elettroni. Quando il campione viene stirato o compresso, può anche presentare proprietà che contraddicono i risultati attesi. Pertanto, Guguchia regola con precisione le forze nel dispositivo di compressione o tensione per sopprimere le fasi indesiderate e migliorare quelle desiderabili, come la superconduttività. Solo quando gli strati atomici vengono distorti in una direzione molto specifica si verifica l'effetto desiderato. Guguchia ha scoperto, ad esempio, che una forza di trazione aumenta di cinque volte la temperatura di superconduzione dei cuprati, superconduttori ad alta temperatura premiati con il Nobel. I risultati sottolineano il potenziale di questa distorsione meccanica. Il lavoro è stato pubblicato su due autorevoli riviste.

La visione di Guguchia: un materiale che può essere commutato in diverse fasi desiderate da forze esterne - o addirittura modulare in modo continuo. Potrebbe trattarsi di una sorta di interruttore che passa dalla resistenza zero (superconduttore) alla normale resistenza di un metallo. In combinazione con altri materiali, sono ipotizzabili prodotti con nuove proprietà tecniche, come motori elettrici che non richiedono magneti di terre rare.

Cestini di bambù atomici

Guguchia continua i suoi esperimenti con la pressione idrostatica e la tensione diretta. Nella comunità scientifica, tuttavia, è conosciuto in tutto il mondo per un'altra importante scoperta, che gli è valsa inviti a importanti conferenze internazionali: Kagome. Una ricerca di immagini su Internet rivela i cesti di bambù intrecciati tradizionalmente in Giappone. Nel mondo quantistico, esistono reticoli atomici che riproducono questo schema: Esagoni circondati da triangoli su ogni bordo, che a loro volta sono collegati ad altri esagoni - in una struttura che si ripete all'infinito.

Da tempo gli scienziati sospettano che i reticoli atomici piatti e bidimensionali possano presentare un ordine di carica. Essi derivano dal comportamento collettivo degli elettroni, con correnti spontanee, senza eccitazione esterna. Guguchia è stato il primo a scoprirlo sperimentalmente in laboratorio, in un reticolo kagome di atomi di potassio, vanadio e antimonio. La scoperta è avvenuta grazie alla potente sorgente di muoni SμS del PSI. Un muone - una particella elementare elettricamente carica 200 volte più pesante di un elettrone - serve come strumento di misura microscopico altamente sensibile nell'esperimento. Viene impiantato nel reticolo di Kagome e osservato mentre decade. Questo fornisce informazioni sul campo magnetico locale e quindi sulle correnti spontanee che scorrono nell'anello di sei atomi.

Mentre un materiale adatto deve essere raffreddato a circa meno 240 gradi Celsius per diventare superconduttore, questo effetto si verifica già nel reticolo Kagome a circa meno 190 gradi Celsius, una temperatura a cui è possibile raffreddare con azoto liquido relativamente economico. I ricercatori sospettano anche che tali correnti spontanee possano esistere nei cuprati, i superconduttori ad alta temperatura la cui scoperta è stata premiata con il Premio Nobel per la Fisica nel 1987. Cresce la speranza che l'applicazione dell'architettura Kagome a questi materiali possa aumentare ulteriormente la loro temperatura critica.

Cercasi superconduttori a temperatura ambiente

Questa speranza è cresciuta negli ultimi mesi. Guguchia ha recentemente scoperto l'ordinamento della carica in un reticolo Kagome a temperature fino a 527 gradi Celsius, un risultato pubblicato sulla prestigiosa rivista Advanced Materials. Mentre la superconduttività nello stesso materiale si verifica tipicamente a basse temperature, gli esperimenti a pressione di Guguchia hanno dimostrato che non segue le regole convenzionali. Ciò solleva una domanda fondamentale: L'ordinamento delle cariche potrebbe essere soppresso ad alte temperature? E questo rivelerebbe uno stato vicino alla temperatura ambiente in cui la corrente scorre senza resistenza e senza raffreddamento?

Come ricercatore di base, Guguchia rimane modesto: "Questo sistema quantistico è molto promettente". Ma le implicazioni sono audaci: un superconduttore a temperatura ambiente rivoluzionerebbe il panorama energetico: il 40% del consumo globale di energia potrebbe essere risparmiato con linee prive di resistenza elettrica.

"Il mio interesse principale è comprendere i meccanismi fondamentali alla base di fenomeni quantistici insoliti e come ottimizzarli", afferma Zurab Guguchia. "Il PSI, con la sua combinazione unica di strutture di ricerca su larga scala e forti gruppi di lavoro teorici e computazionali, è l'ambiente ideale per combinare ricerca teorica e applicata."