Nel 1986 la scoperta della superconduttività nei materiali ceramici a base di rame — i cuprati — ha ribaltato le concezioni dei fisici. La temperatura di transizione allo stato superconduttivo è improvvisamente salita a più volte il limite precedente, e la consueta teoria BCS, che spiegava il fenomeno con le oscillazioni del reticolo, ha smesso di funzionare.
Un team internazionale guidato dal professor Nigel Hussey dell'Università Radboud e di HFML-FELIX, insieme a colleghi provenienti da Cina, Regno Unito e Stati Uniti, ha finalmente trovato il meccanismo chiave. I ricercatori hanno dimostrato che nei cuprati drogati con elettroni, come l'ossido di lantanio-cerio-rame, gli elettroni formano coppie proprio grazie all'interazione con le fluttuazioni di spin — rapide oscillazioni dei minuscoli momenti magnetici degli atomi.
Per dimostrarlo, gli scienziati hanno creato una speciale pellicola sottile con un gradiente graduale della temperatura critica lungo la lunghezza. Contatti litografici hanno permesso di misurare la resistenza a diversi valori della temperatura di transizione, mantenendo lo stesso livello di disordine. L'analisi dei dati in forti campi magnetici ha rivelato che la principale fonte di resistenza è lo scattering degli elettroni sugli spin fluttuanti, e che la forza di questa interazione è direttamente correlata alla temperatura di superconduttività.
L'analogia è semplice: immaginate il flusso di elettroni come una folla di persone nella metropolitana. Le fluttuazioni di spin sono le improvvise «spinte» dei vicini, che in un metallo ordinario ostacolano il movimento, ma nei cuprati aiutano gli elettroni ad «agganciarsi» in coppie e a muoversi senza perdite. È proprio questo legame, e non le oscillazioni degli ioni, a rivelarsi decisivo.
Tuttavia, il lavoro ha rivelato anche un secondo «ingrediente», finora sconosciuto. Anche rafforzando l'interazione con gli spin, è impossibile raggiungere le temperature record osservate in altre famiglie di cuprati. La ricerca del fattore mancante diventa ora il compito principale dei teorici.
I risultati sono pubblicati su Nature Physics e avvicinano il momento in cui i superconduttori ad alta temperatura potranno funzionare a temperature accessibili senza un raffreddamento costoso. Ciò aprirà la strada a linee di trasmissione elettrica superefficienti, a potenti magneti per la medicina e alle tecnologie quantistiche del futuro.
