Superconduttori: un disordine sorprendentemente ordinato
Scoperto un effetto sorprendente: gli atomi sono disposti in modo completamente disordinato ma producono ordine magnetico
La superconduttività è uno degli argomenti centrali della moderna scienza dei materiali: alcuni materiali possono condurre corrente elettrica senza alcuna resistenza, almeno al di sotto di una certa temperatura. Tuttavia, come produrre materiali che continuino a mostrare questa proprietà a temperature più elevate rimane un problema irrisolto.
Luka Akšamović e Priyanka Reddy, membri della squadra di Neven Barišić
TU Wien
Ora, i ricercatori della TU Wien hanno scoperto una sorprendente connessione tra due classi di superconduttori in realtà molto diverse - i cosiddetti "cuprati" e "picnici": il materiale murunskite combina le proprietà di entrambi in modo inaspettato. La cosa sorprendente è che, anche se gli atomi cruciali della murunskite sono disposti in modo del tutto casuale e irregolare, le proprietà magnetiche sono ordinate, anche a temperature sorprendentemente elevate, e assomigliano a quelle dei picnictidi di ferro. Analogamente, nei cuprati, un particolare tipo di metallicità - che potrebbe essere associata solo a sistemi eccezionalmente puliti - emerge nonostante un grande disordine locale, insieme alla superconduttività ad alta temperatura. I "colpevoli" nei cuprati e nella murunskite sono gli orbitali aperti dei ligandi.
Due mondi - e uno intermedio
I materiali che presentano proprietà superconduttive anche a temperature relativamente elevate - noti come superconduttori ad alta temperatura - devono normalmente questa proprietà alla complessa interazione quantistica tra diversi tipi di atomi. La simulazione al computer degli effetti di questi materiali e la loro comprensione teorica richiedono un grande sforzo.
Tuttavia, negli ultimi decenni sono state individuate diverse classi di materiali che si sono rivelate promettenti per la ricerca sulla superconduttività, come la classe dei cuprati. Si tratta di composti ceramici contenenti atomi di rame in cui la superconduttività emerge da uno stato isolante al momento del drogaggio con portatori di carica. Una classe completamente diversa di superconduttori è quella dei picniti, materiali metallici con elettroni mobili.
I ricercatori della TU Wien hanno ora analizzato da vicino un altro materiale: la murunskite, un cristallo composto da potassio, ferro, rame e zolfo. Sebbene non sia un superconduttore, è strettamente legato ai materiali superconduttori. "La murunskite è, in un certo senso, l'anello mancante tra queste due classi di materiali", spiega il Prof. Neven Barišić dell'Istituto di Fisica dello Stato Solido della TU Wien. "Ha una struttura cristallina simile a quella dei picnici, ma proprietà elettroniche simili a quelle dei cuprati. Le sue proprietà magnetiche sono nuove e sorprendenti, anche se ricordano sia i cuprati che i picniti".
Disordine geometrico, ordine magnetico
Sono molti i materiali che presentano effetti magnetici. Ciò significa che gli atomi si allineano magneticamente nello stesso modo, come tanti piccoli aghi di bussola che puntano tutti nella stessa direzione. Normalmente, gli atomi devono anche essere disposti geometricamente in modo regolare. Questo è il modo universalmente accettato per garantire che tutti si influenzino a vicenda nello stesso modo, in modo che l'ordine magnetico possa svilupparsi su lunghe distanze.
Sorprendentemente, però, questo non è il caso della Murunskite: In questo materiale, gli atomi non sono disposti in modo regolare", spiega Priyanka Reddy. In alcuni punti del reticolo cristallino possono essere presenti sia un atomo di rame sia un atomo di ferro. Gli atomi di rame non hanno alcun effetto magnetico, ma quelli di ferro sì".
Non esiste uno schema geometrico secondo il quale gli atomi di rame e di ferro si dispongono; sono completamente mescolati a caso. Eppure, come il team di ricerca è riuscito a dimostrare, l'ordine magnetico emerge a una temperatura di meno 176 gradi Celsius (97K): gli atomi di ferro si allineano magneticamente secondo lo stesso schema, anche se si trovano a distanze diverse l'uno dall'altro.
"In questo caso si parla di ordine emergente", spiega Davor Tolj. "Anche se gli atomi non seguono alcuna regola geometrica, formano cluster magneticamente ordinati - isole ordinate in un mare di atomi disordinati che, in un certo senso, concordano su una direzione magnetica comune". Questi cluster si collegano ad altri cluster, così che, nonostante la mancanza di ordine geometrico, emerge un ordine magnetico che pervade l'intero cristallo.
Il risultato dimostra che l'ordine magnetico non deve necessariamente basarsi su un ordine atomico perfetto. Questo apre nuove strade nella ricerca sui materiali e sui dispositivi, in relazione ai superconduttori e non solo.
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Pubblicazione originale
D. Tolj et al., High-Entropy Magnetsm of Murunskite, Adv. Funct. Mater. 2025, 2500099 (2025)
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