Superconduttività ad alte temperature: il cuprato di lantanio

RICERCANDO ALL’ESTERO – “Creare interfacce non è una cosa banale: la sintesi è difficile, i calcoli sono difficili e prima di imparare a maneggiare un sistema ci vogliono anni. Bisogna quotidianamente innovare le idee e i mezzi tecnici e confrontarsi con problemi il più delle volte sconosciuti. Ho imparato ad avere molta pazienza in questo tipo di ricerca”.

Nome: Federico Baiutti
Età: 30 anni
Nato a: Monfalcone (GO)
Vivo a: Stoccarda (Germania)
Dottorato in: Chimica (Stoccarda)
Ricerca: Effetti di interfaccia per indurre superconduttività in super reticoli
Istituto: Max Planck Institute for Solid State Research (Stoccarda)
Interessi: mountain bike, basket, correre, sciare, ascoltare musica, suonare la chitarra.
Di Stoccarda mi piace: le colline, è molto ordinata, sicura, c’è un elevato senso civico.
Di Stoccarda non mi piace: il grigio (architettonico, metereologico e alimentare), i melograni sono molto costosi.
Pensiero: Esule […] è un paradosso senza fine (Salman Rushdie, I versi satanici).

Che tipo di materiali utilizzi nella tua ricerca?
In generale mi occupo di ossidi funzionali, cioè materiali in grado di svolgere un compito da poter utilizzare in applicazioni sia tecnologiche come il trasporto, l’immagazzinamento (batterie) o la trasformazione di energia (celle a combustibile), sia elettroniche (memorie, transistor). Più nel dettaglio, la mia ricerca si concentra sugli ossidi funzionali superconduttori, cioè materiali che hanno il grosso vantaggio di trasportare corrente senza disperderla. Conoscere i meccanismi alla base del loro funzionamento, la loro fisica e, principalmente, la loro chimica è indispensabile per poter sfruttare le loro prestazioni in maniera ottimizzata.

Tra le classi di ossidi superconduttori, quella dei cuprati è particolarmente interessante perché superconduce ad alte temperature – fermo restando che stiamo parlando di valori bassissimi, attorno ai -200 °C. Una volta capito il motivo per cui questi materiali superconducono si può puntare ad alzare ulteriormente la temperatura in mondo da renderli più disponibili per l’uso tecnologico. Attualmente i materiali superconduttori vengono usati soprattutto nelle apparecchiature mediche di risonanza magnetica e nel trasporto di energia, opportunamente raffreddati per esempio con azoto liquido. Realizzare il sogno di un superconduttore a temperatura ambiente farebbe una bella differenza in campo applicativo e sarebbe una vera e propria rivoluzione tecnologica.

Quali sono i metodi di induzione della superconduttività ad alte temperature?
Il metodo classico è il drogaggio, che consiste nell’aggiungere a un semiconduttore piccole quantità di impurità al fine di alterare le proprietà della sostanza. Noi abbiamo messo a punto un metodo alternativo che consiste in un drogaggio eterogeneo attraverso un’interfaccia: in pratica si tratta di sintetizzare due materiali in modo che si trovino uno vicino all’altro e sfruttare gli effetti di interfaccia per indurre la superconduttività.

Per la sintesi si utilizza una tecnica chiamata molecular beam epitaxy (MBE), grazie alla quale si riescono a creare pellicole sottilissime di una grande varietà di materiali: si parte da un substrato tenuto a una temperatura tra 600 e 700 gradi che, in condizioni di alto vuoto, viene bombardato da fasci di atomi provenienti da una serie di metalli, dieci nel nostro caso. In particolari condizioni di temperatura, pressione, flusso, tipo di substrato, tipo e quantità di metalli reagenti, questi fasci danno origine a un nuovo materiale cristallino con spessore compreso tra quello di una singola cella atomica e 50 nm.

Nel caso di crescita di ossidi, c’è bisogno anche di una fonte di ossigeno e per questo, durante il processo, viene introdotta nella camera una piccola quantità di ozono che consente l’ossidazione del materiale. Nella mia ricerca, lo strato principale è fatto da cuprato di lantanio mentre l’interfaccia da uno strato di stronzio. Si tratta di un elemento normalmente usato per drogare i materiali, ma nel nostro caso, invece di drogare tutto il volume, abbiamo depositato singoli strati di drogante all’interno della struttura. La struttura cuprato-stronzio viene poi ripetuta più volte periodicamente fino a creare un super reticolo.

Le macchine in grado di produrre queste pellicole sono molto grandi e vengono comandate via computer. Quella che usiamo nel mio laboratorio è stata installata partendo da zero, nel senso che all’inizio non c’era nemmeno il pavimento, e la sua peculiarità consiste nel fatto che è in grado di controllare la composizione chimica delle singole celle dei materiali depositati. Questo dà molta libertà, perché possiamo scegliere nel dettaglio la composizione del cristallo e accoppiare tanti materiali diversi, continuando a conoscere con esattezza come è fatto ogni singolo strato atomico.
L’MBE è considerata una tra le migliori e più complesse tecniche per la crescita di pellicole sottili. Come mi disse una volta il mio maestro di molecular beam epitaxy con il suo inconfondibile accento russo: “You are like God”.

Come avviene la superconduzione ad alte temperature nei cuprati?
Gli scienziati ci stanno sbattendo la testa da 1986, anno in cui fu scoperto l’ossido di lantanio, bario e rame, il primo a supercondurre a temperature relativamente elevate, -243°C. Di ipotesi se ne fanno di continuo ma è difficile provare quale sia quella giusta. L’idea del nostro studio è cercare di capire almeno un po’ dei meccanismi di superconduttività ad alta temperatura e il più possibile dei meccanismi di interfaccia, con l’obiettivo finale di applicare lo stesso procedimento a ossidi diversi, con proprietà diverse.

Nei nostri esperimenti osserviamo principalmente come ioni e elettroni si riarrangiano alle interfacce: quando sono vicini è come se si parlassero per ridistribuirsi da una parte all’altra dell’interfaccia per ristabilire l’equilibrio termodinamico. Altri effetti che osserviamo sono quelli di deformazione elastica e la creazione di legami atomici che in qualche modo modificano le proprietà funzionali del materiale. In particolare, in alcuni casi abbiamo visto che accoppiando il materiale A con il materiale B saltano fuori nuove proprietà C non previste dalla semplice combinazione di A e B presi singolarmente. Capita molto spesso che da un esperimento saltino fuori cose che non ci aspettiamo o che non cerchiamo affatto: le studiamo, proviamo a dare una spiegazione e, se sono utili, le teniamo, altrimenti cambiamo l’esperimento di conseguenza.

Il vantaggio di tutto ciò è che con queste conoscenze diventa più facile giocare con i vari materiali, migliorarne le proprietà esistenti, crearne di nuove e ottimizzare le prestazioni. Il tutto su scala nanometrica, cosa che negli ultimi vent’anni ha aperto prospettive tecnologiche e concettuali davvero vantaggiose per i dispositivi a temperatura ambiente.

Quali sono le prospettive future del tuo lavoro?
Sarebbe interessante studiare interfacce di cuprati con altri materiali diversi dallo stronzio, in modo da indurre proprietà sempre differenti. Lo sbocco di una ricerca simile è creare dispositivi dalle dimensioni molto piccole, con prestazioni elevate e con cui giocare in termini di proprietà. In questo senso, lavorare con gli ossidi è molto stimolante perché, rispetto ai semiconduttori che hanno un range di proprietà più limitato, possono essere manipolati in molti modi diversi.

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