Il punto tricritico quantistico e la conduzione elettrica senza sprechi. Uno studio pubblicato su Nature Communications.
Annullare le dispersioni nel trasporto di corrente elettrica sarebbe un autentico Eldorado per l'economia delle risorse energetiche. Questa sfida è quella delle ricerche sui materiali superconduttori a temperatura ambiente, utili per i treni a levitazione magnetica e per la risonanza magnetica, ma anche per i supercomputer del prossimo futuro. Massimo Capone e Gianluca Giovannetti, fisici del gruppo di ricerca Sissa-Democritos, spiegano in un articolo appena pubblicato su Nature Communications che una transizione di fase estremamente anomala è alla base delle proprietà dei superconduttori basati sul ferro (LaFeAsO): «Si tratta di un materiale complesso, costituito da atomi di Lantanio (La), Ferro (Fe), Arsenico (As) e Ossigeno (O)». In particolare lo studio delle proprietà magnetiche di questa famiglia di superconduttori ha rivelato che la capacità di condurre elettricità senza incontrare resistenza (o senza produrre calore) è connessa alla presenza di un punto tricritico quantistico. Ma cos'è un punto tricritico quantistico? Nella materia "normale" ovvero quella in cui l'acqua bolle, a livello del mare a 100 gradi centigradi e congela a zero, l'acqua a una data temperatura può assumere solo uno o al massimo due stati, se si eccettua il cosiddetto "punto tricritico" nel quale convivono tre stati: vapore, liquido e gassoso. In altre parole la cooperazione di tanti atomi e molecole è responsabile delle transizioni di fase (dall'acqua liquida al ghiaccio o al vapore). Invece nei sistemi quantistici, quelli studiati dalla fisica sub-atomica, il comportamento globale del sistema non è così semplice come quello dell'acqua. Il punto tricritico quantistico è uno stato della materia che si riscontra quando il materiale si trova in corrispondenza di una fase di transizione da uno stato quantistico a un altro, in particolare quando allo zero assoluto (273 gradi sotto zero) tre diverse fasi della materia diventano indistinguibili, analogamente alla coesistenza di acqua sotto forma liquida, gassosa e solida.
In prossimità di un punto critico quantistico il sistema potrebbe essere descritto come "indeciso" tra due fasi molto simili. Per questa indecisione si possono verificare effetti anomali. Uno di questi effetti è la superconduttività. Lo studio dimostra che un superconduttore a base di ferro si trova più facilmente vicino a un punto tricritico, con effetti significativi in termini di superconduttività. Ora la nuova sfida consiste nel capire se agendo su queste criticità sia possibile modificare le caratteristiche dei materiali e favorire una migliore conduzione di elettricità.
I risultati ottenuti — frutto della collaborazione tra i ricercatori dell’unità Sissa-Democritos, dell'Istituto Officina dei Materiali del Cnr, dell'Istituto dei sistemi complessi di Roma, dell'Institute for Theoretical Solid State Physics di Dresda e dell’Università di Vienna — suggeriscono che la superconduttività alle alte temperature (fino a 56°kelvin per questi composti, ovvero -217°C) sia frutto degli effetti quantistici associati a questa transizione.
Andrea Mameli www.linguaggiomacchina.it 22 luglio 2011
Proximity of Iron Pnictide Superconductors to a Quantum Tricritical Point Gianluca Giovannetti, Carmine Ortix, Martijn Marsman, Massimo Capone, Jeroen van den Brink e José Lorenzana, Nature Communications, 19 July 2011.
Abstract
In several materials, unconventional superconductivity appears nearby a quantum phase transition where long-range magnetic order vanishes as a function of a control parameter like charge doping, pressure or magnetic field. The nature of the quantum phase transition is of key relevance, because continuous transitions are expected to favour superconductivity, due to strong fluctuations. Discontinuous transitions, on the other hand, are not expected to have a similar role. Here we determine the nature of the magnetic quantum phase transition, which occurs as a function of doping, in the iron-based superconductor LaFeAsO1–xFx. We use constrained density functional calculations that provide ab initio coefficients for a Landau order parameter analysis. The outcome is intriguing, as this material turns out to be remarkably close to a quantum tricritical point, where the transition changes from continuous to discontinuous, and several susceptibilities diverge simultaneously. We discuss the consequences for superconductivity and the phase diagram.
Commenti