Il laser fotografa i superconduttori del futuro / The laser captures images of the superconductors of the future

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

Grazie a un originale utilizzo di tecniche laser, materiali speciali rivelano inedite propensioni all’efficienza energetica. La ricerca è pubblicata su Nature Physics.

Un altro passo avanti verso la superconduttività a temperatura ambiente. Un esperimento alle frontiere della fisica della materia rivela che il sogno di un’energia usata in modo più efficiente si può tradurre in realtà grazie a speciali materiali studiati dagli esperti di materia condensata. Per mezzo di impulsi laser opportunamente calibrati, per la prima volta un gruppo di ricerca internazionale guidato dagli scienziati della SISSA di Trieste, dell’Università Cattolica di Brescia e del Politecnico di Milano, ha “fotografato” l’interazione tra gli elettroni di uno speciale composto, contenente rame, ossigeno e bismuto, verificando che questi a temperature ordinaria non si respingono. Questa è una precondizione necessaria perché la corrente passi senza resistenza e costituisce, quindi, la base per i superconduttori del futuro. L’indagine potrebbe aprire importanti scenari per lo sviluppo di questi materiali da utilizzare nell’elettronica di consumo, nella diagnostica e nei trasporti. Lo studio è stato appena pubblicato su Nature Physics.

Per mezzo di raffinate tecniche laser che permettono di studiare speciali materiali nelle cosiddetta fase di non equilibrio, gli scienziati sono riusciti a capire le loro proprietà in un modo del tutto originale. Della ricerca, l’equipe SISSA ha curato gli aspetti teorici, l’Università Cattolica di Brescia e il Politecnico di Milano hanno coordinato invece quelli sperimentali.

Spiegano gli scienziati: “Uno dei più grandi ostacoli verso l’utilizzo della superconduttività nella tecnologia di tutti i giorni è che i superconduttori più promettenti ad alta temperatura si trasformano in isolanti. Questo perché gli elettroni, anziché appaiarsi e muoversi all’unisono nella direzione della corrente, tendono a respingersi”. Per studiare il fenomeno, i ricercatori si sono concentrati su uno specifico superconduttore, molto complesso nelle sue caratteristiche fisiche e chimiche perché composto da 4 tipi di atomi diversi, tra cui il rame e l’ossigeno. “Attraverso un impulso laser abbiamo portato il materiale fuori della condizione di equilibrio. Un secondo rapidissimo impulso ci ha permesso poi di isolare le componenti che caratterizzano le interazioni tra gli elettroni mentre il materiale tornava all’equilibrio, separandole temporalmente. Per usare una metafora, è come se avessimo ottenuto tante istantanee delle diverse proprietà di quel materiale, in momenti diversi”.

Con questo approccio, gli scienziati hanno verificato che “in questo materiale, la repulsione tra gli elettroni, e quindi le sue caratteristiche di isolante, scompaiono persino a temperatura ambiente. È un’osservazione molto interessante perché è questa la condizione indispensabile affinché un materiale possa diventare un superconduttore”. Per arrivarci, quale sarà lo step successivo? “Prendendo questo materiale come base, potremmo per esempio cambiarne la composizione chimica” spiegano i ricercatori. Verificato che le precondizioni per la produzione di un superconduttore a temperatura ambiente esistono, gli scienziati ora hanno a disposizione degli elementi in più per trovare la ricetta corretta: cambiando qualche ingrediente, la formula giusta potrebbe essere non troppo lontana.

Le applicazioni? Il campo magnetico generato dal passaggio di corrente in un superconduttore potrebbe essere utilizzato per una nuova generazione di treni a levitazione magnetica, come quello che già collega Shangai con il suo aeroporto superando i 500 Km/h, caratterizzati da maggiore efficienza e prestazioni di gran lunga migliori. Nel settore della diagnostica, la generazione di campi magnetici molto grandi in spazi molto piccoli, permetterebbe di effettuare analisi come la risonanza magnetica su scale molto ridotte, aumentando così l’accuratezza dell’indagine. Nel campo della conduzione elettrica, considerando la grande perdita di energia che accompagna il trasporto della corrente per uso civile o il funzionamento dei nostri dispositivi elettronici – che infatti tendono a surriscaldarsi – i superconduttori potrebbero garantire, allo stesso tempo, grandissima efficienza e un notevole risparmio energetico.

ENGLISH

Thanks to an original use of laser techniques, special materials reveal unprecedented propensity to energy efficiency. The research is published in Nature Physics.

Another step towards the superconductivity at room temperature. An experiment at the frontiers of matter physics reveals that the dream of a more efficient energy can actually be translated thanks to special materials studied by condensed matter experts. Using an appropriately calibrated laser pulse, an international research group led by scientists from SISSA Trieste, the Catholic University of Brescia and the Politecnico di Milano, for the first time "photographed" the interaction between the electrons of a special Compound, containing copper, oxygen and bismuth, verifying that these at ordinary temperatures do not refuse. This is a necessary precondition for the current to pass without resistance and thus constitutes the basis for the superconductors of the future. The survey could open important scenarios for the development of these materials to be used in consumer electronics, diagnostics and transportation. The study has just been published on Nature Physics.

By using sophisticated laser techniques that allow to study special materials in the so-called non-equilibrium phase, scientists have been able to understand their properties in a completely original way. In research, the SISSA team has cared for the theoretical aspects, while the Catholic University of Brescia and the Politecnico di Milano coordinated the experimental ones.

Scientists say: "One of the biggest obstacles to using superconductivity in day-to-day technology is that the most promising high-temperature superconductors become insulators. This is because the electrons, rather than clinging to and moving in unison in the direction of the current, tend to reject. " To study the phenomenon, researchers focused on a specific superconductor, very complex in its physical and chemical characteristics, as it consists of 4 different types of different atoms, including copper and oxygen. "Through a laser pulse we brought the material out of the balance state. A second fast pulse allowed us to isolate the components that characterize the interactions between the electrons as the material returned to balance, separating them temporally. To use a metaphor, it is as though we had obtained so many snapshots of the different properties of that material at different times. "

With this approach, scientists have verified that "in this material, the repulsion of electrons, and hence its insulating characteristics, even disappears at room temperature. This is a very interesting observation, because this is the indispensable condition for a material to become a superconductor. " To get there, what will be the next step? "By taking this material as a basis, we could, for example, change its chemical composition," the researchers explain. Verified that the preconditions for the production of a superconductor at room temperature exist, scientists now have the extra elements available to find the correct recipe: changing some ingredients, the right formula might not be too far.

Applications? The magnetic field generated by the current passage in a superconductor could be used for a new generation of magnetic levitation trains, such as that already connecting Shanghai with its airport exceeding 500 Km / h, characterized by greater efficiency and far-reaching performance best. In the field of diagnostics, the generation of very large magnetic fields in very small spaces would allow analysis such as magnetic resonance imaging on very small scales, thus increasing the accuracy of the survey. In the field of electrical conduction, considering the great loss of energy that accompanies the current transport for civil use or the operation of our electronic devices - which tend to overheat - superconductors could at the same time be at the same time very high efficiency and considerable savings energy.

Da:

http://www.galileonet.it/2017/05/laser-superconduttori-futuro/