Materiali quantistici sotto pressione

I superconduttori sono da tempo considerati la «perla nascosta» per l'industria energetica del futuro. I superconduttori sono infatti materiali in grado di condurre la corrente elettrica senza resistenza, azzerando così sia le perdite di linea che il calore dissipato. Finora, tuttavia, i superconduttori trovano applicazione solo in casi speciali, ad esempio nelle bobine magnetiche ad altissima intensità magnetica degli acceleratori di particelle, come il collisore di particelle Large Hadron Collider del CERN Le ragioni di questo uso limitato sono da ricondurre al fatto che i superconduttori devono essere fortemente raffreddati, in alcuni casi addirittura a temperature estremamente basse. Dei materiali di nuovo tipo, con particolari proprietà quantistiche dovrebbero rendere possibile in futuro la superconduttività anche a temperature sotto lo zero, ma meno glaciali e quindi più facilmente raggiungibili. Un team di ricerca guidato da Zurab Guguchia presso l'Istituto Paul Scherrer PSI ha ora caratterizzato, per la prima volta in modo completo, uno di questi materiali quantistici. Ciò consente una comprensione in dettaglio di questi processi e facilita la ricerca di superconduttori utilizzabili a livello tecnologico. I risultati sono stati pubblicati sulla rivista specializzata Nature Communications.

«Attualmente, in tutto il mondo la ricerca si sta concentrando sullo studio di superconduttori di nuovo tipo e non convenzionali, che presentino una solida superconduttività anche a temperature più elevate o in presenza di forti campi magnetici esterni», afferma Guguchia. Il fisico guida un gruppo di ricerca che opera presso il Centro di ricerca sui neutroni e i muoni e lavora con il suo team nell'ambito dei materiali del futuro.

Le proprietà sorprendenti di un materiale con struttura a strati

Per i loro nuovi esperimenti, Guguchia e il suo team hanno scelto un materiale che risulta allettante grazie a tutta una serie di proprietà quantistiche insolite. Il disolfuro di tantalio appartiene a una classe di materiali la cui struttura è composta da strati estremamente sottili. Pur non presentando superconduttività ad alta temperatura, offre comunque stimolanti possibilità sperimentali in virtù delle alle sue proprietà particolari. «La sua formula chimica si direbbe, a logica, semplicissima: un atomo di tantalio si lega a due atomi di zolfo», spiega Guguchia. «Tuttavia al suo interno è un materiale incredibilmente complesso, dotato di proprietà addirittura paradossali.»

Se il disolfuro di tantalio viene sintetizzato nel modo corretto, si formano sempre due strati alternati con una diversa disposizione degli atomi. «Questo implica il fatto che anche le proprietà elettroniche di questi due strati si comportino in modo totalmente contrastante», spiega il ricercatore. Entrambi gli strati si comportano come metalli alle alte temperature e possono condurre elettroni. Quando si raffreddano, però, si verifica una strana particolarità: mentre uno strato diventa un isolante, l'altro diventa superconduttivo. Il disolfuro di tantalio conduce pertanto la corrente elettrica nello strato superconduttivo solo su un piano, poiché gli strati isolanti impediscono agli elettroni di attraversarli.

Ma se si raffredda il materiale a temperature estremamente basse, fino a poco più di un grado sopra lo zero assoluto, accade qualcosa di insolito: «All'improvviso l'intero materiale diventa superconduttivo, il che significa che anche gli strati isolanti diventano conduttivi e partecipano alla superconduttività» spiega Guguchia. Se si sottopone il materiale ad un'elevata pressione, la temperatura alla quale si verifica la superconduttività addirittura aumenta. La ragione esatta di questo fenomeno non era finora nota, poiché l'interazione degli elettroni a livello atomico non è ancora ben conosciuta.

I muoni offrono un'analisi approfondita della struttura interna del materiale

È proprio qui che si inseriscono gli esperimenti del team dell'Istituto Paul Scherrer PSI. A tal riguardo I ricercatori hanno a disposizione metodi sperimentali all'avanguardia. Un procedimento importante è la cosiddetta spettroscopia di spin muonico.

I muoni sono particelle elementari, simili agli elettroni, ma circa 200 volte più pesanti e con una vita media di pochi milionesimi di secondo. Se vengono fatti penetrare in modo mirato nei materiali, reagiscono in modo estremamente sensibile alle proprietà magnetiche dell'ambiente circostante. Questo consente ai ricercatori di analizzare, su una scala dimensionale minima, ciò che avviene all'interno di un materiale. L'Istituto Paul Scherrer PSI è l'autorità indiscussa per questo tipo di esperimenti, in quanto gestisce la Sorgente svizzera di muoni SμS, ovvero la sorgente di muoni più potente al mondo.

«Poiché i muoni sono sonde straordinariamente sensibili alle proprietà magnetiche e superconduttive, noi dell'Istituto Paul Scherrer PSI possiamo ricavare informazioni uniche sui materiali magnetici», afferma Guguchia.

Oltre alle misurazioni effettuate con i muoni, il team ha utilizzato anche altre procedure per studiare il modo in cui gli elettroni si muovono all'interno del materiale. La combinazione di queste tecniche ha consentito un mutamento radicale nella comprensione del disolfuro di tantalio.

Cosa provoca la pressione nel materiale

A tal fine, i ricercatori hanno condotto una serie di esperimenti in cui hanno sottoposto il materiale a diversi valori di pressione e hanno analizzato il comportamento degli elettroni all'interno del materiale stesso a temperature molto basse.

In questo contesto entrano in azione due fattori. Quando si applica una pressione molto elevata, centinaia di volte superiore a quella presente in uno pneumatico per automobili, i piani dei reticoli cristallini del disolfuro di tantalio sono sottoposti ad una forte compressione. Questo, in primo luogo, fa sì che gli strati superconduttivi entrino maggiormente in contatto tra loro, con il risultato che lo strato atomico isolante che separa questi strati superconduttivi esercita un effetto di disturbo minore. In secondo luogo, una parte degli elettroni viene liberata nello strato isolante e può pertanto partecipare anch'essa al fenomeno della superconduttività. «A causa di questi effetti, l'alta pressione fa in modo che il disolfuro di tantalio diventi superconduttivo in tutte e tre le dimensioni a temperature circa tre volte superiori rispetto al caso in cui l'alta pressione non venga applicata», così Guguchia ricapitola i risultati delle misurazioni. Inoltre, il numero di elettroni che partecipano alla superconduttività è aumentato di un fattore pari a sette.

«La pressione, quindi, non solo aumenta la temperatura al raggiungimento della quale si verifica la superconduttività, ma modifica anche la natura stessa dello stato superconduttivo», afferma il ricercatore. «Infatti la pressione cambia il modo in cui gli elettroni si combinano in coppie e si muovono insieme attraverso il materiale, portando a una forma più solida di superconduttività.»

Superconduttività a condizioni più accessibili

Questi risultati così precisi forniscono un prezioso contributo affinché i fisici teorici, in futuro, possano descrivere meglio questi materiali quantistici. In questo modo ci si avvicina all'obiettivo a lungo termine: materiali su misura che siano superconduttivi ad alte temperature, l'ideale sarebbe a temperatura ambiente e a pressione atmosferica. La strada per arrivare a questo traguardo riserva ancora alcune sfide, ma la ricerca comunque va avanti. «Dedicandoci allo studio di importanti materiali quantistici, intendiamo svelare i meccanismi fondamentali alla base della superconduttività», afferma Guguchia. «Il nostro scopo consiste nel trovare il modo di ottimizzare le temperature alle quali si verifica il fenomeno della superconduttività.»

In futuro, i ricercatori presso l'Istituto Paul Scherrer PSI potranno spingersi ancora di più a fondo nell'affascinante mondo dei materiali quantistici superconduttivi. Infatti, grazie a un aggiornamento della sorgente di muoni nell'ambito del progetto IMPACT (acronimo di: Isotope and Muon Production using Advanced Cyclotron and Target technologies ), nei prossimi anni saranno disponibili fasci di muoni cento volte più potenti. Inoltre, l'Istituto Paul Scherrer PSI dirige il Polo di ricerca nazionale «Muoniverse». Questo polo, basandosi sulla sorgente di muoni dell'Istituto Paul Scherrer PSI, riunisce in un consorzio di progetto gli istituti svizzeri che svolgono un ruolo di primo piano nella ricerca sui muoni. «Attendiamo con impazienza di vedere quali saranno le prospettive offerte da questi due sviluppi», conclude Guguchia. "Infatti, proprio per il lavoro sui materiali quantistici superconduttivi, questo spalanca possibilità sperimentali insospettate."

Testo: Dirk Eidemüller

Informazioni sul PSI

L'Istituto Paul Scherrer PSI sviluppa, costruisce e gestisce grandi e complesse strutture di ricerca e le mette a disposizione della comunità di ricerca nazionale e internazionale. La sua ricerca si concentra sulle tecnologie del futuro, l'energia e il clima, l'innovazione sanitaria e i fondamenti della natura. La formazione dei giovani è una preoccupazione centrale del PSI. Per questo motivo, circa un quarto dei nostri dipendenti sono ricercatori post-dottorato, dottorandi o apprendisti. Il PSI impiega un totale di 2.300 persone, il che lo rende il più grande istituto di ricerca della Svizzera. Il budget annuale è di circa 450 milioni di franchi svizzeri. Il PSI fa parte del settore dei PF, che comprende anche il Politecnico di Zurigo e l'EPF di Losanna, nonché gli istituti di ricerca Eawag, Empa e WSL.

Contatto

Dr. Zurab Guguchia
PSI Center for Neutron and Muon Sciences
Istituto Paul Scherrer PSI
+41 56 310 55 64
[email protected]
[inglese]

Pubblicazione originale

Competing quantum orders in 6R-TaS₂ revealed by pressure

V. Sazgari, J. N. Graham, S. S. Islam, A. Achari, P. Král, O. Gerguri, J. N. Tangermann, J. A. Krieger, H. Gopakumar, G. Simutis, M. Janoschek, M. Bartkowiak, J.-X. Yin, R. Khasanov, H. Luetkens, F. O. von Rohr, R. R. Nair and Z. Guguchia

Nature Communications, 07.07.2026 (finale Version online)
DOI: 10.1038/s41467-026-72136-x

Testo originale:

https://www.psi.ch/it/news/comunicati-stampa/materiali-quantistici-sotto-pressione