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Ecco il nuovo stato fisico della materia

I metalli Jahn-Teller sono la nuova promessa della superconduttività.
Superconduttore che levita. Immagine: Wiki

È solo leggermente meno eccitante di quanto sembri: un nuovo stato fisico della materia. La scoperta, opera di un gruppo internazionale guidato da Kosmas Prassides della Tokohu University in Giappone, consiste in un nuovo materiale dall'insolita combinazione di proprietà—isolante, superconduttore, metallo, magnete. La cosa particolarmente interessante è la presunta superconduttività ad alte temperature, che è un po' il Santo Graal della scienza dei materiali, nonché un mistero eterno della fisica.

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La materia ha molti stati diversi. Tutti conosciamo quello solido, quello liquido, quello gassoso, e magari anche quello plasma, ma c'è in realtà un intero catalogo di alternative aggregative: il condensato di Bose-Einstein, la materia degenere, i supersolidi/superfluidi, il plasma di quark e gluoni, e via dicendo. La differenza è che tutti questi altri stati sono creati in laboratorio e non si trovano in natura. Il nuovo materiale del gruppo di Prassides è uno di questi, una struttura cristallina di molecole di carbonio-60, meglio conosciute come fullereni, dopate con atomi di rubidio, che hanno la funzione di tenere i fullereni alla giusta distanza, così da accordare le proprietà/fasi del materiale.

È proprio in questo accordo che si trova il nuovo e finora sconosciuto stato (o stati) della materia, con il nome di "metalli di Jahn-Teller", dall'effetto di Jahn-Teller, per cui le deformazioni strutturali tra le molecole trovate in un materiale sono relative alle sue proprietà elettriche. In parole povere funziona così: aggiungendo o togliendo pressione, è possibile aumentare la conduttività di ciò che potrebbe essere un isolante in condizioni di pressione più bassa. Alta pressione equivale a conduttività.

Ecco cosa fanno gli atomi di rubidio: aggiungono pressione. In genere, quando pensiamo ad aggiungere pressione, pensiamo a schiacciare qualcosa, a comprimere le sue molecole con la forza. Si può fare la stessa cosa chimicamente, aggiustando le distanze tra le molecole, mettendo o togliendo delle specie di barriere tra loro—magari infilandoci in mezzo un paio di atomi in più.

Quello che succede in un metallo Jahn-Teller è che, quando la pressione aumenta, e quando l'isolante diventa un metallo—grazie all'effetto di distorsione-elettrica di Jahn-Teller—l'effetto persiste per un certo tempo. Le molecole si tengono strette alle loro vecchie forme. Quindi si crea una sovrapposizione, in cui il materiale sembra ancora un isolante, ma ci sono elettroni che saltellano liberamente come se fosse un conduttore.

Immagine: Prassides et al

"La cosa sorprendente di questa transizione metallo-isolante è che implica uno stato intermedio mai visto prima," scrive Hamish Johnston sul Physics World. "I ricercatori lo hanno soprannominato un 'metallo Jahn-Teller' perché studiando questo materiale con la spettroscopia a infrarossi, le molecole di fulleride mostrano chiaramente una deformazione come quella di un pallone da rugby, che erano finora attribuita solo agli isolanti. Ad ogni modo, le misurazioni della risonanza magnetica nucleare mostrano chiaramente che gli elettroni sono in grado di "saltellare" da una molecola all'altra—che è una caratteristica dei metalli conduttori." Sono cose importanti perché questa transizione da isolante a metallo significa anche una transizione da isolante a potenziale superconduttore. Il metallo che ne risulta deve solo essere a temperature abbastanza basse e tutto a un tratto i suoi elettroni inizieranno ad aggregarsi ed agitarsi in giro, con il risultato che la resistenza elettrica(!) crolla istantaneamente a zero. Una proprietà a dir poco desiderabile. È tutto questo accoppiarsi di elettroni, i quali—una volta insieme—sono conosciuti come coppie di Cooper, che è cruciale per la perconduttività. In pratica, quando la temperatura di un certo materiale crolla, tutto a un tratto la forza attrattiva prima del tutto insignificante tra gli elettroni diventa molto importante. Gli elettroni che prima si respingevano, ora si attraggono. Queste coppie poi si "condensano" in un solo stato energetico di base, ovvero lo stato di minor energia possibile. In questo stato, gli elettroni non possono più sparpargliarsi o fare qualsiasi altra cosa da soli. Questa è la superconduttività. La cosa strana dei metalli Jahn-Teller è che non si capisce che cosa spinga i loro elettroni ad accoppiarsi. In un superconduttore convenzionale lo fanno perché l'attrazione è creata dallo scambio di fononi, che sono stati di eccitazione ("quasiparticelle") trovati nella fibra molecolare di un certo materiale. Per questa cosa ci vogliono, abbiamo detto, temperature estremamente basse. Se i metalli Jahn-Teller implicano un altro tipo di meccanismo d'accoppiamento degli elettroni, potrebbe voler dire che la superconduttività può verificarsi anche a temperature non così fredde. I ricercatori devono solo capire quale sia quest'altro meccanismo: "la relazione tra l'isolante, il normale stato metallico sopra [temperature di superconduttività], e il meccanismo di accoppiamento a superconduttività è la chiave per capire tutti i superconduttori fuori dalla norma," scrivono Prassides e i suoi collaboratori su Science Advances. Si potrebbe allora "determinare sinteticamente" alcune substrutture molecolari ottimali per una superconduttività a temperature alte o più alte del normale. Come concludono Prassides e colleghi, "Il fatto che la chimica sintentica permetta di creare nuove strutture elettroniche diverse da quelle che si trovano negli atomi e negli ioni che dominano la maggior parte dei superconduttori conosciuti è un'ottima motivazione per andare in cerca di nuovi materiali molecolari superconduttori."