Alla scoperta di nuovi materiali quantistici

RICERCANDO ALL’ESTERO – “La prossima rivoluzione tecnologica è avere a disposizione un superconduttore ad alta temperatura con cui creare computer quantistici, linee elettriche ad alta potenza senza perdite di energia, tecnologie di trasporto ad alta velocità (come i treni a levitazione magnetica), macchine di risonanza magnetica più compatte e senza sistemi di raffreddamento.
Non ci siamo ancora arrivati ma dobbiamo continuare a cercare: è un viaggio nell’ignoto ma la ricompensa finale (scientifica e tecnologica) potrebbe essere immensa”.

Nome: Riccardo Comin
Età: 31 anni
Nato a: Udine
Vivo a: Boston (Stati Uniti)
Dottorato in: fisica (Vancouver, British Columbia, Canada)
Ricerca: Struttura elettronica di materiali superconduttori con interazioni multi-corpi
Istituto: Department of physics, MIT Massachusetts Institute of Technology (Cambridge, Massachusetts, USA)
Interessi: viaggiare
Di Boston mi piace: la grande varietà di pesce.
Di Boston non mi piace: l’umidità, il traffico, i prezzi delle case.
Pensiero: Happiness is real only when shared. (Jon Krakauer, Into the Wild)

Tra tutti i materiali che ci circondano, quelli quantistici a transizione superconduttiva più alta sono considerati molto promettenti per lo sviluppo di nuove tecnologie, non necessariamente solo elettroniche. L’ideale sarebbe riuscire a creare materiali superconduttivi a temperatura ambiente.

Quali sono le caratteristiche dei materiali con interazioni multi-corpi?
Si tratta di materiali fatti da un alto numero di entità interagenti tra loro (elettroni) e in cui i meccanismi cooperativi che si instaurano sono talmente forti da creare proprietà inaspettate. Con alto numero di entità mi riferisco al fatto che in 1 cm³ di materiale ci sono circa 10²² atomi, ovvero circa 10 mila miliardi di miliardi, e ogni atomo ha un certo numero di elettroni. Quindi si può immaginare quanto complessi siano i comportamenti e le dinamiche cooperative in questi materiali. E quanto imprevedibili dal punto di vista teorico siano le nuove proprietà che si generano.

Un po’ come una società di individui: se ci sono poche persone, ognuno si comporta in base ai suoi bisogni primari con una dinamica abbastanza semplice da comprendere; se le persone sono molte, cominciano a nascere interazioni e meccanismi di collaborazione che favoriscono la creazione di sistemi più complessi come le comunità. Per gli elettroni la situazione è simile: ci sono certi materiali, come il silicio o i metalli semplici tipo rame e oro, in cui ogni elettrone segue la sua strada e il comportamento del materiale è facilmente prevedibile con i metodi della fisica classica. In un materiale quantistico, invece, gli effetti delle forti interazioni tra le componenti creano situazioni nuove rispetto alla somma delle parti individuali.

La mia ricerca consiste nel sintetizzare nuovi materiali e studiarne le proprietà, soprattutto elettroniche e magnetiche, che stanno diventando particolarmente rilevanti nel campo dell’elettronica al fine di riuscire a controllarle.

Che tipi di materiali studi?
In pratica tutti quei materiali in cui la cooperazione degli elettroni produce un particolare effetto quantistico macroscopico che è la superconduttività. I materiali superconduttori sono molto sofisticati dal punto di vista della loro natura quantistica: sono superfluidi elettronici, cioè sistemi di elettroni in cui ogni componente sa esattamente dove sono gli altri fino a formare una specie di fluido che procede in fase. Per fare un paragone, immaginiamo un’autostrada in cui non ci sono macchine che superano, che vanno in direzioni diverse, entrano o escono e fanno incidenti. Tutte le vetture vanno esattamente alla stessa velocità, si tengono esattamente alla stessa distanza e rispettano un ordine di percorrenza molto preciso. Questo è un superconduttore: un sistema in cui non ci sono collisioni e gli elettroni fluiscono in maniera estremamente ordinata e coordinata. È un moto perfetto di un sistema con tante entità e secondo me è una delle manifestazioni più spettacolari delle proprietà quantistiche e cooperative che emergono da un sistema di elettroni fortemente interagenti.

I nostri materiali preferiti sono i cuprati, cioè ossidi di rame, perché hanno grandi potenzialità tecnologiche dato che diventano superconduttivi a temperature più alte rispetto ad altri materiali. Parliamo di temperature comunque molto più basse rispetto a quella ambiente che, nel caso dei materiali migliori, si aggirano attorno ai 170 °K (-120 °C).

Esistono diversi tipi di cuprati con diversa composizione chimica degli atomi: tra quelli che studiamo in laboratorio un materiale particolarmente interessante perché molto puro e pulito è un cuprato fatto da ittrio, bario e rame che si chiama YBCO. Puro significa che ha pochissimi difetti negli strati che supportano la superconduttività e ciò è molto importante per le nostre analisi perché rende più facile lo studio e l’interpretazione di certi fenomeni. Le impurità infatti sono una perturbazione del materiale e creano un disordine che influenza le proprietà elettroniche e magnetiche

Che risultati avete ottenuto su YBCO?
Abbiamo scoperto che, all’interno del materiale, gli elettroni oltre a interagire tra di loro e formare una fase superconduttiva hanno altre tendenze cooperative e spesso si congelano lungo strutture periodiche a forma di strisce chiamate stripe order. Questo è un meccanismo molto importante per la fisica dei cuprati perché è diametralmente opposto al tipico comportamento superconduttivo, in cui gli elettroni sono liberi di muoversi in maniera coordinata.

Quello che succede è che all’interno del materiale alcune zone sono attraversate da supercorrenti e mentre in altre gli elettroni sono fermi, bloccati. Il fenomeno è conosciuto come coesistenza di fasi ed è come l’olio nell’acqua, che in un’emulsione tendono a evitarsi. Allo stesso modo, la fase a strisce e quella superconduttiva non stanno contemporaneamente nella stessa parte del materiale ma tendono a evitarsi, con una delle due segregata in piccole isole statiche mentre attorno gli elettroni sono liberi di fluire.
La coesistenza di fasi non impedisce la superconduttività nel materiale ma pensiamo possa essere uno dei motivi che attualmente limita la temperatura a cui si manifestano le supercorrenti. Se si potesse rimuovere la tendenza a formare le fasi statiche magari in futuro si potrebbero migliorare le proprietà superconduttive dei materiali.

Quali sono le prospettive future del tuo lavoro?
Rimango molto interessato alla superconduttività, ma in realtà studiamo anche altre proprietà quantistiche, come la magnetoelettricità. In generale, mi piacerebbe scoprire altri materiali superconduttori: il problema è che nei sistemi a multi-corpi, gli elettroni che interagiscono tra loro sono tantissimi ed è molto difficile fare predizioni teoriche, anzi è quasi impossibile anticipare la composizione chimica ed elettronica di un materiale che manifesti proprietà superconduttive. Di solito si fanno crescere cristalli partendo dai precursori di base, giocando di volta in volta con le concentrazioni, e solo alla fine, attraverso la caratterizzazione, si scopre se il materiale è superconduttivo o meno. Non è possibile pianificare nulla, la stessa superconduttività nei cuprati è stata una scoperta serendipitous, come dicono gli inglesi.

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