Establishment of global phase coherence in a highly disordered fractal MgO/MgB2 nanocomposite: Roles of interface, morphology and defect

La magia di creare l'ordine dal caos

Immaginate di cercare di costruire un'autostrada per automobili minuscole e invisibili chiamate elettroni. Nella maggior parte dei materiali, queste auto si scontrano con dossi, si perdono nel traffico o smettono del tutto di muoversi. Ma in una classe speciale di materiali chiamati superconduttori, questi elettroni si uniscono in squadra e scivolano senza alcun attrito, trasportando elettricità con un'efficienza perfetta. Questo è il santo graal della fisica perché potrebbe portare a reti elettriche senza perdite, computer incredibilmente veloci e magneti abbastanza forti da far levitare i treni.

Tuttano, c'è un problema. Di solito, affinché questa superstrada funzioni, la strada deve essere perfettamente liscia e uniforme. Se il materiale è disordinato, pieno di crepe o mescolato con altre sostanze (disordinato), le squadre di elettroni si sfaldano e la superstrada crolla. Gli scienziati si sono chiesti a lungo: è possibile costruire una superstrada anche se la strada è un ammasso caotico e disordinato? Specificamente, può un materiale che sembra un mucchio casuale di rocce condurre ancora elettricità perfettamente se le rocce sono disposte in uno schema molto specifico e complesso? Questo articolo approfondisce proprio questa domanda, esplorando come una miscela disordinata di due diversi materiali possa in qualche modo comportarsi come un singolo, perfetto superconduttore.

La storia della super-rete frattale

In questo studio, un team di scienziati ha creato un materiale che sembra un esperimento da cucina finito male, ma che si è rivelato un miracolo della fisica. Hanno mescolato l'ossido di magnesio (MgO), che è solitamente un isolante (un materiale che blocca l'elettricità), con il diboruro di magnesio (MgB2), un noto superconduttore. Non si sono limitati a mescolarli casualmente; li hanno "cotti" insieme sotto alta pressione e calore per creare un blocco solido. Il risultato è stato un "nanocomposito" dove il MgB2 superconduttore costituiva solo circa il 30% del volume, mentre l'MgO isolante costituiva il resto.

Normalmente, se hai un superconduttore mescolato con il 70% di isolante, ti aspetteresti che l'elettricità rimanga bloccata. Le parti superconduttrici sarebbero come isole isolate in un mare di acqua non conduttiva. Ma questo materiale non si è comportato come un insieme di isole. Al contrario, ha agito come un unico, gigante e solido blocco di superconduttore. Gli elettroni sono riusciti a fluire attraverso l'intero 30% del materiale senza resistenza, anche se erano circondati da zone "morte".

La ricetta segreta: Una rete frattale
Come ci sono riusciti? Gli autori hanno utilizzato una speciale telecamera 3D (chiamata FIB-SEM) per scattare foto all'interno del blocco, strato dopo strato, e poi hanno ricostruito l'intero oggetto in un computer. Hanno scoperto che il MgB2 non era solo sparso casualmente. Formava una rete complessa e aggrovigliata che si estendeva in ogni direzione, apparendo identica a prescindere da come venisse tagliata. Questa forma è chiamata "frattale".

Pensate a un frattale come a un cime di broccoli o a un fulmine. Se fate zoom su un pezzo di broccolo, esso appare proprio come l'intera testa. In questo materiale, i percorsi superconduttori si torcono e si snodano in un modello auto-simile con una specifica "dimensione frattale" di circa 1,67. Questa forma è cruciale perché crea un percorso continuo e sinuoso attraverso il caos, permettendo al "traffico" superconduttore di trovare una via attraverso il mare isolante.

La stretta di mano più pulita dell'universo
Ma un percorso sinuoso non basta se i ponti tra le isole sono interrotti. Gli scienziati hanno poi osservato il materiale sotto un microscopio super potente (STEM) per vedere i confini dove l'MgO e il MgB2 si toccano. Hanno scoperto qualcosa di incredibile: le interfacce erano "atomicamente pulite".

Immaginate due pezzi di un puzzle che si incastrano. Di solito, quando si mescolano materiali diversi, i bordi diventano disordinati, coperti da uno strato di polvere o colla (materiale amorfo) che blocca la connessione. Qui, i bordi erano perfettamente netti e puliti, con gli atomi di un materiale che si allineavano quasi perfettamente con gli atomi dell'altro. Alcuni confini erano piatti come uno specchio, mentre altri presentavano piccoli "terrazzamenti" e "gradini", come una scala. Poiché non c'era alcuna colla disordinata in mezzo, gli elettroni potevano saltare dalla parte superconduttrice alla parte isolante e viceversa senza bloccarsi. Questo è chiamato "effetto prossimità", dove la potenza superconduttrice si diffonde nel materiale normale.

Le autostrade invisibili dell'ossigeno
Ecco la parte più incredibile. La parte di MgO dovrebbe essere un isolante, il che significa che non ha elettroni per trasportare corrente. Quindi, come hanno fatto gli elettroni a viaggiare attraverso le sezioni di MgO per passare da un'isola di MgB2 all'altra?

Il team ha utilizzato una tecnica chiamata catodoluminescenza (CL), che è come scattare una foto al materiale quando brilla sotto una luce speciale. Hanno scoperto che l'MgO non era perfetto; era pieno di "vacanze di ossigeno". Immaginate un muro di mattoni dove mancano alcuni mattoni. Questi spazi vuoti (vacanze) agiscono come pietre d'inciampo. Gli scienziati hanno scoperto che questi punti mancanti di ossigeno non erano sparsi casualmente; formavano lunghi canali sinuosi proprio accanto al MgB2 superconduttore.

Questi canali agiscono come autostrade invisibili. Gli elettroni possono saltare lungo questi punti di ossigeno mancante usando un trucco quantistico chiamato "tunneling coerente". È come se gli elettroni surfassero su un'onda di mattoni mancanti, permettendo loro di viaggiare per lunghe distanze attraverso l'isolante. Ciò consente alla potenza "super" di diffondersi da un'isola di MgB2 all'altra, collegando l'intera rete.

Il verdetto: Un lavoro di squadra globale
I ricercatori hanno testato questo materiale con magneti ed elettricità. Hanno scoperto che al di sotto di una temperatura di circa 38,5 Kelvin (che è molto fredda, circa -235°C), il materiale diventava un superconduttore perfetto. Non si comportava solo come un insieme di piccole isole superconduttrici; agiva come un unico, grande blocco solido. I campi magnetici venivano bloccati perfettamente e l'elettricità fluiva con resistenza zero.

L'articolo suggerisce che ciò accade a causa di una "interferenza quantistica gerarchica". È un modo elaborato per dire che gli elettroni, rimbalzando tra le isole superconduttrici e i canali isolanti, riescono tutti a sincronizzare perfettamente il loro tempo. La forma frattale, i confini atomici puliti e le autostrade delle vacanze di ossigeno lavorano tutti insieme per creare una "coerenza di fase" globale. Ciò significa che gli elettroni stanno tutti danzando allo stesso ritmo attraverso l'intero campione, anche se il materiale sembra un mucchio disordinato di rocce.

Cosa significa (e cosa non significa)
Gli autori sono molto cauti nell'affermare che hanno dimostrato che questo fenomeno esiste e hanno suggerito che le vacanze di ossigeno e la forma frattale siano le ragioni di ciò. Non hanno ancora costruito una nuova rete elettrica, né hanno risolto il mistero di tutti i superconduttori. Tuttavia, hanno dimostrato che non è necessario un cristallo perfetto per ottenere un superconduttore perfetto. Si può avere un materiale altamente disordinato, disordinato, e se il disordine ha la giusta forma (frattale) e le giuste connessioni atomiche (interfacce pulite e canali di vacanze), può comunque raggiungere la superconduttività globale.

Questa scoperta è come scoprire che una folla caotica di persone può comunque marciare in perfetto passo se sono disposte in un modello specifico e sinuoso e si tengono per mano in un modo molto specifico. Apre la porta alla progettazione di nuovi materiali che siano robusti e flessibili, invece di fragili e perfetti, portando potenzialmente a nuovi modi per sfruttare la potenza della superconduttività nel mondo reale.