Superconduttività ad alte temperature: differenze tra le versioni

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Nel 1986, presso il laboratorio di ricerca [[IBM]] vicino a [[Zurigo]], in [[Svizzera]], Bednorz e Müller cercarono la superconduttività in una nuova classe di [[Ceramica|ceramiche]]: gli ossidi di rame o cuprati. Bednorz scoprì un particolare ossido di rame la cui resistenza scese a zero a una temperatura intorno a {{Converti|-238|C|K}}. I loro risultati furono presto confermati<ref>Stuart A Wolf & Vladimir Z Kresin, Eds, Novel Superconductivity, Springer (October 1987)</ref> da molti gruppi, in particolare Paul Chu all'[[università di Houston]] e Shoji Tanaka all'[[università imperiale di Tokyo]].<ref name="tanaka01">{{Cita pubblicazione|autore=Tanaka|nome=Shoji|anno=2001|titolo=High temperature superconductivity: History and Outlook|rivista=JSAP International|volume=|numero=|accesso=2 marzo 2012|url=http://www.jsap.or.jp/jsapi/Pdf/Number04/PastPresentFuture.pdf|urlarchivio=https://web.archive.org/web/20120816203010/http://www.jsap.or.jp/jsapi/Pdf/Number04/PastPresentFuture.pdf}}</ref>

Tali risultati non erano spiegabili nell'ambito della teoria BCS, considerata valida fino a massimo 25-30 K,<ref name=":3">{{Cita pubblicazione|nome=Adam|cognome=Mann|data=2011-07-01|titolo=High-temperature superconductivity at 25: Still in suspense|rivista=Nature|volume=475|numero=7356|pp=280–282|lingua=en|accesso=2022-09-09|doi=10.1038/475280a|url=https://www.nature.com/articles/475280a}}</ref> ma l'anno successivo, all'[[università di Princeton]], [[Philip Warren Anderson|Philip Anderson]] diede una prima descrizione teorica di questi materiali, basata sulla [[teoria del legame di valenza risonante]] (teoria RVB).<ref name="Anderson87">{{Cita pubblicazione|autore=Anderson|nome=Philip|anno=1987|titolo=The Resonating valence bond state in la-2CuO-4 and superconductivity|url=https://archive.org/details/sim_science_1987-03-06_235_4793/page/n79|rivista=Science|volume=235|numero=4793|pp=1196-1198|doi=10.1126/science.235.4793.1196|bibcode=1987Sci...235.1196A|PMID=17818979}}</ref> Sempre nel 1987 Bickers, Scalapino e Scalettar proposero che il fenomeno potesse essere spiegato supponenedo che anche qui, come nella teoria BCS, si formino coppie di elettroni ([[Coppia di Cooper|coppie di Cooper]]) ma il loro legame sia descritto dalle [[Funzione d'onda|funzioni d'onda]] degli [[Orbitale atomico|orbitali atomici ''d'']] (con [[numero quantico orbitale]] ''l''=2), anziché da quelli ''s'' (con numero quantico orbitale ''l''=0), come nella teoria BCS base.<ref name="bickers87">{{Cita pubblicazione|autore=Bickers|nome=N.E.|anno=1987|titolo=CDW and SDW mediated pairing interactions|rivista=Int. J. Mod. Phys. B|volume=1|numero=3n04|pp=687-695|doi=10.1142/S0217979287001079|bibcode=1987IJMPB...1..687B|autore2=Scalapino|autore3=Scalettar|nome2=D. J.|nome3=R. T.}}</ref> Nel 1988 tre successive teorie furono proposte: da Inui, Doniach, Hirschfeld e Ruckenstein,<ref name="inui88">{{Cita pubblicazione|autore=Inui|nome=Masahiko|anno=1988|titolo=Coexistence of antiferromagnetism and superconductivity in a mean-field theory of high-Tc superconductors|rivista=Phys. Rev. B|volume=37|numero=10|pp=5182-5185|doi=10.1103/PhysRevB.37.5182|bibcode=1988PhRvB..37.5182D|url=http://prb.aps.org/abstract/PRB/v37/i4/p2320_1|PMID=9943697|autore2=Doniach|autore3=Hirschfeld|nome2=Sebastian|nome3=Peter J.|urlarchivio=https://archive.is/20130703172401/http://prb.aps.org/abstract/PRB/v37/i4/p2320_1}}</ref> usando la teoria della [[Fluttuazione quantistica|flutuazione]] dello [[spin]]; da Gros, Poilblanc, Rice e Zhang;<ref name="gros88">{{Cita pubblicazione|autore=Gros|nome=Claudius|anno=1988|titolo=Superconductivity in correlated wavefunctions|rivista=Physica C|volume=153–155|pp=543-548|doi=10.1016/0921-4534(88)90715-0|bibcode=1988PhyC..153..543G|autore2=Poilblanc|autore3=Rice|nome2=Didier|nome3=T. Maurice}}</ref> da Kotliar e Liu, identificando la funzione d'onda ''d'' come conseguenza naturale della teoria RVB.<ref name="kotliar88">{{Cita pubblicazione|autore=Kotliar|nome=Gabriel|anno=1988|titolo=Superexchange mechanism and d-wave superconductivity|rivista=Physical Review B|volume=38|numero=7|p=5182|doi=10.1103/PhysRevB.38.5142|bibcode=1988PhRvB..38.5142K|PMID=9946940|autore2=Liu|nome2=Jialin}}</ref> La conferma del fatto che la funzione d'onda ''d'' sia alla base dei superconduttori a cuprati è stata ottenuta con una serie di verifiche sperimentali sulla presenza di tali configurazioni, tra cui l'osservazione diretta dei nodi di tali funzioni (punti in cui le funzioni si annullano e che non sono presenti nel caso di funzioni ''s'') nello spettro di eccitazione attraverso la [[Spettroscopia fotoelettronica|spettroscopia di fotoemissione]] risolta in angolo, l'osservazione di [[Quantizzazione del flusso|flussi magnetici a quantizzazione]] semi intera in esperimenti di [[Effetto tunnel|tunneling]] e indirettamente dalla dipendenza della temperatura dalla profondità di penetrazione, calore specifico e [[conducibilità termica]].

Dal 2015 si sono cominciati a scoprire composti a base di idrogeno, in grado di raggiungere la superconduttività a temperatura ambiente ma a pressioni elevatissime, dell'ordine di centinaia di GPa (milioni di volte la [[pressione atmosferica]]).<ref name=":0" /><ref name=":1" /> Nel 2019 si è raggiunta una temperatura critica di {{M|-23|ul=°C}} nel LaH₁₀, un super-[[idruro]] del [[lantanio]], a una pressione superiore a 100 [[Pascal (unità di misura)|GPa]]<ref name=":0" />, e nel [[2020]], utilizzando al posto del lantanio, carbonio e zolfo, la temperatura di {{M|15|ul=°C}} a una pressione di 267 GPa, oltre 2,6 milioni di volte la pressione atmosferica,<ref name=":1" /><ref name=":2" /> anche se quest'ultimo risultato è stato messo in discussione.<ref name=":4">{{Cita pubblicazione|nome=J. E.|cognome=Hirsch|nome2=F.|cognome2=Marsiglio|data=2021-08-26|titolo=Absence of high temperature superconductivity in hydrides under pressure|rivista=Nature|volume=596|numero=7873|pp=E9–E10|accesso=2022-09-28|doi=10.1038/s41586-021-03595-z|url=http://arxiv.org/abs/2010.10307}}</ref>

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{{Cita pubblicazione|autore=Hsu|nome=F. C.|anno=2008|titolo=Superconductivity in the PbO-type structure α-FeSe|rivista=[[Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America]]|volume=105|numero=38|pp=14262-14264|doi=10.1073/pnas.0807325105|bibcode=2008PNAS..10514262H|PMID=18776050|autore2=Luo|autore3=Yeh|nome2=J. Y.|nome3=K. W.}}</ref>

La maggior parte di questi superconduttori, quando non drogati, mostrano una [[transizione di fase]] della struttura da tetragonale a ortorombica e, a bassa temperatura, un ordinamento magnetico simile ai superconduttori cuprati.<ref name="Zhao2008">

{{Cita pubblicazione|autore=Zhao|nome=J|anno=2008|titolo=Structural and magnetic phase diagram of CeFeAsO_1−xF_x and its relation to high-temperature superconductivity|rivista=[[Nature Materials]]|volume=7|numero=12|pp=953-959|doi=10.1038/nmat2315|bibcode=2008NatMa...7..953Z|PMID=18953342|autore2=Huang|autore3=de la Cruz|nome2=Q|nome3=C|arxiv=0806.2528}}</ref> Tuttavia si comportano più come [[metalli di post-transizione]] che [[Isolante di Mott|isolanti di Mott]] e hanno cinque [[Struttura elettronica a bande|bande]] sulla [[superficie di Fermi]] anziché una.<ref name="Kordyuk2012" /> Il diagramma di fase che emerge quando vengono drogati gli strati di ferro-arseniuro è notevolmente simile, con la fase superconduttiva vicina o sovrapposta alla fase magnetica. Il valore di ''T''_c varia a seconda degli angoli di legame tra Fe e As, ottenendo un valore ottimale con quattro atomi di As disposti ai vertici di un [[tetraedro]], avente il Fe al centro.<ref name="Lee2008">

{{Cita pubblicazione|autore=Lee|nome=Chul-Ho|anno=2008|titolo=Effect of Structural Parameters on Superconductivity in Fluorine-Free LnFeAsO_1−y (Ln=La, Nd)|rivista=[[Journal of the Physical Society of Japan]]|volume=77|numero=8|p=083704|doi=10.1143/JPSJ.77.083704|bibcode=2008JPSJ...77h3704L|autore2=Iyo|autore3=Eisaki|nome2=Akira|nome3=Hiroshi|arxiv=0806.3821}}</ref> La simmetria della funzione d'onda di accoppiamento è ancora ampiamente dibattuta, ma attualmente è preferito uno scenario ad onde ''s'' estese.

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=== Superconduttori convenzionali ===

La prima spiegazione della superconduttività è stata la [[teoria BCS]], valida per i superconduttori scoperti prima del 1986 e quindi con temperatura critica molto bassa. Secondo tale teoria un elettrone muovendosi nel materiale ne distorce il reticolo cristallino, avvicinando a sè i nuclei atomici, e quindi crea una minore [[densità di carica]] positiva nella direzione del moto. Di conseguenza un altro elettrone viene attratto nella stessa direzione creando una coppia legata di due elettroni ([[Coppia di Cooper|coppia di cooper]]). Più formalmente, nell'ambito della [[teoria quantistica dei campi]], la vibrazione del reticolo è associata ad una [[quasiparticella]], il [[fonone]], e quindi si parla di interazione elettrone-fonone. In pratica il fonone agisce come [[Bosone di gauge|mediatore]] di un campo di forze attrattivo tra i due elettroni.

Oltre a questa classe di materiali risultano spiegabili dalla teoria BCS anche gli idruri, scoperti dopo il 2015, con elevate temperature critiche ma anche elevate pressioni critiche. Infatti il loro comportamento è analogo a quello atteso per l'[[idrogeno metallico]], ottenibile solo con pressioni elevatissime.<ref>{{Cita pubblicazione|data=2020-04-29|titolo=A perspective on conventional high-temperature superconductors at high pressure: Methods and materials|rivista=Physics Reports|volume=856|pp=1-78|lingua=en|accesso=2021-07-06|doi=10.1016/j.physrep.2020.02.003|url=https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0370157320300363}}</ref>