Supraconductivitatea la temperatură ridicată reprezintă una dintre cele mai fascinante și misterioase provocări din fizica modernă. Imaginați-vă un material capabil să conducă electricitatea fără nicio rezistență, prevenind astfel orice pierdere de energie sub formă de căldură. Deși acest fenomen a fost studiat de zeci de ani, multe aspecte rămân obscure. Recent, însă, cercetătorii au făcut progrese semnificative în dezlegarea unui aspect particular al acestui mister: arcurile Fermi în cuprați, o clasă de materiale supraconductoare. Înțelegerea acestor arcuri ar putea revoluționa abordarea noastră față de supraconductivitate și ar putea deschide calea pentru descoperirea materialelor capabile să mențină această stare chiar și la temperatura camerei, transformând astfel modul în care consumăm energie și procesăm informații.
Supraconductivitatea este un fenomen fizic în care anumite materiale conduc electricitatea fără rezistență atunci când sunt răcite la temperaturi foarte scăzute. Aceasta înseamnă că, spre deosebire de conductorii precum cuprul, unde o parte din energie se pierde sub formă de căldură, supraconductorii permit transportul electric fără pierderi de energie. Acest fenomen a fost descoperit pentru prima dată în 1911 de fizicianul olandez Heike Kamerlingh Onnes, care a observat că mercurul a devenit supraconductor la temperaturi apropiate de zero absolut.
Există două categorii principale de supraconductori: supraconductori de tip I și de tip II. Supraconductorii de tip I, cum ar fi plumbul, prezintă o tranziție bruscă între starea normală și starea supraconductoare. Cu toate acestea, ele sunt limitate la temperaturi foarte scăzute și nu pot rezista la câmpuri magnetice ridicate. În schimb, supraconductorii de tip II, precum cuprații, pot funcționa la temperaturi mai ridicate și sunt rezistenți la câmpuri magnetice mai puternice. Această abilitate face din cuprați un subiect de cercetare intensivă, deoarece ar putea avea aplicații practice în tehnologii avansate.
Teoria BCS (Bardeen-Cooper-Schrieffer), dezvoltată în anii 1950, explică modul în care supraconductivitatea apare în metalele convenționale. Conform acestei teorii, electronii se formează în perechi numite perechi Cooper care se deplasează prin material fără rezistență. Această teorie nu se aplică pe deplin supraconductorilor de temperatură înaltă, cum ar fi cuprații, care prezintă comportamente complexe care sunt încă puțin înțelese, în special în ceea ce privește arcurile Fermi. Arcurile Fermi sunt curbe care ilustrează direcțiile specifice în care electronii se pot mișca în interiorul cupraților. Contrar a ceea ce ne-am putea aștepta, acești electroni se pot mișca doar în anumite direcții definite. Acest comportament ciudat provoacă modelele teoretice existente, făcând studiul lor și mai crucial pentru înțelegerea supraconductivității.
O echipă de cercetători condusă de dr. Alessandro Toschi a făcut progrese semnificative în înțelegerea arcurilor Fermi în cuprați. Datorită metodelor experimentale inovatoare care utilizează un laser pentru a expulza electronii din material, ei au putut să vizualizeze aceste arcuri și să analizeze modul în care electronii interacționează în interiorul cupraților. Rezultatele au fost prezentate într-un articol publicat în Physical Review Letters.
Echipa a dezvoltat apoi modele teoretice și numerice care explică acest comportament atipic al electronilor. Ei au descoperit apoi că acest fenomen se datorează interacțiunilor magnetice dintre electronii diferiților atomi din material, în special interacțiunilor antiferomagnetice. Într-un material antiferomagnetic, momentele magnetice ale atomilor se aliniază alternativ, asemănător cu o tablă de șah în care fiecare pătrat este colorat diferit față de vecinii săi. Descoperirea echipei de la Universitatea Tehnică din Viena ar putea avea implicații semnificative pentru cercetările viitoare în supraconductivitate. Înțelegând mai bine arcurile Fermi și interacțiunile magnetice, oamenii de știință ar putea fi capabili să proiecteze noi materiale cu proprietăți neconvenționale. Acest lucru ar putea nu numai să avanseze înțelegerea noastră fundamentală a fizicii materialelor, ci și să deschidă calea pentru aplicații practice in domeniile electronicii, energiei si transporturilor. Imaginați-vă trenuri cu levitație magnetică, linii electrice fără pierderi de energie sau computere cuantice mai eficiente datorită materialelor supraconductoare. Aplicațiile potențiale ale supraconductivității sunt vaste și ar putea transforma societatea modernă.
