Ecco un nuovo stato della
materia: il metallo bosonico.
Le coppie di Cooper, le coppie di
elettroni responsabili della superconduttività di certi materiali, possono
anche condurre elettricità come in un normale metallo.
Un materiale che conduce
elettricità come se fosse un normale metallo, ma che tanto normale non è visto
che a trasportare la corrente non sono elettroni solitari ma le coppie di
Cooper, duetti di elettroni che si comportano come bosoni e che sono alla base
della superconduttività. A scoprire questo nuovo stato della materia sono stati
i ricercatori della Brown University, che hanno osservato sperimentalmente come
le coppie di Cooper possano anche condurre elettricità con una certa
resistenza, come avviene appunto nei comuni metalli. Un fenomeno sorprendente,
che – come sostengono i ricercatori su Science – richiederà una nuova
spiegazione teorica.
Superconduttori e isolanti
Per capire l’entusiasmo dei
ricercatori dobbiamo fare un salto indietro agli anni ’70, quando il fisico
Leon Cooper descrisse il fenomeno della superconduttività, individuando il
ruolo di coppie di elettroni (chiamate poi coppie di Cooper) in grado di muoversi
liberamente nel materiale senza incontrare resistenza, spiegazione che gli
valse il premio Nobel nel 1972. Bisogna sapere che le particelle quantistiche
si dividono in fermioni e bosoni, a seconda del valore (intero o semi intero)
di una proprietà chiamata spin. Gli elettroni sono dei fermioni e quando si
muovono da soli in un metallo si scontrano tra loro perché non possono occupare
lo stesso spazio (orbitale – ndr –MLR); invece quando si uniscono in una coppia
di Cooper si comportano come bosoni (che possono scivolare l’uno nell’altro) e
si coordinano con altre coppie di Cooper riducendo la resistenza a zero. Ed
ecco un superconduttore. Nel 2007, poi, il fisico Jim Valles e l’ingegnere
Jimmy Xu della Brown University dimostrarono che le coppie di Cooper potevano
anche produrre degli stati isolanti: in materiali molto sottili, anziché dare
origine a un movimento coordinato, le coppie si accordano per bloccarsi sul
posto costituendo delle isole.
Un nuovo stato della materia
Valles e Xu, però, credevano che
non fosse tutto qui e che le coppie di Cooper potessero assumere altri comportamenti
che non erano ancora stati in grado di vedere sperimentalmente. Ora, sembrano
esserci riusciti. In un modello di superconduttore a film sottile, costituito
da una matrice a piccoli fori di ossido di ittrio bario e rame, quando si
applica un campo magnetico in condizioni di temperatura di -181°C (che è
elevata se si pensa che i superconduttori funzionano a temperature solo di poco
superiori allo zero assoluto, cioè – 273,15°C), la corrente che lo attraversa è
dovuta al movimento di coppie di Cooper che però incontrano resistenza, come
gli elettroni in un normale metallo. “Siamo in grado di misurare la frequenza
con cui queste cariche circolano”, ha commentato Valles. “In questo caso,
abbiamo scoperto che la frequenza è coerente con la presenza di due elettroni
alla volta che girano [attorno ai fori della matrice] e non di uno solo. Quindi
possiamo concludere che i portatori di carica in questo stato sono coppie di
Cooper e non singoli elettroni”. Che le coppie di Cooper siano responsabili di
quello che alla fine è uno stato metallico è in assoluto una novità, spiegano i
ricercatori. Ed è anche una sorpresa perché per certi principi di fisica
quantistica questo comportamento bosonico non dovrebbe essere possibile. Saranno
di certo necessarie ulteriori ricerche per confermare queste prime osservazioni
e nel caso bisognerà spiegare il fenomeno dal punto di vista teorico, ma
potremmo essere sul punto di veder nascere una nuova fisica, da sfruttare per
creare nuovi tipi di dispositivi elettronici.
Da: https://www.wired.it/scienza/lab/2019/11/18/nuovo-stato-materia-metallo-bosonico/
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DI MARCO LA ROSA
SONO EDIZIONI OmPhi Labs
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