Microstrutture frattali migliorano la superconduttività

I superconduttori ad alta temperatura critica (HTS) promettono applicazioni tecnologiche di alto impatto socio-economico, come ad esempio lo sviluppo di nuovi dispositivi elettronici per computer quantistici super-veloci, la realizzazione di treni a lievitazione ad altissima velocità e nuove reti di distribuzione elettrica senza perdita di energia. Questi materiali, HTS, sono costituiti da strati paralleli di ossido di rame (nel caso dei cuprati), alternati con strati isolanti. La superconduttività si ottiene al di sotto di una temperatura critica, Tc, drogando questi materiali: ovvero si introducono atomi droganti nei blocchi isolanti che rilasciano cariche itineranti nei piani di rame. Così facendo, è possibile passare da uno strato isolante ad uno superconduttivo cambiando giusto la concentrazione degli atomi droganti. In tale contesto, abbiamo dimostrato che la temperatura critica, Tc, oltre che dalla concentrazione degli atomi droganti è determinata anche dalla disposizione di questi nel reticolo cristallino. Presso l'Istituto di Cristallografia del CNR a Monterotondo (Roma), si sono presi in esame cuprati superconduttori La2CuO4+y, dove i droganti sono costituiti da ioni di ossigeno interstiziali mobili (iO), inseriti nei blocchi [La2O2+y]2-δ. Lo studio delle posizioni atomiche degli iO è stato condotto sulla linea di luce XRD1 al ELETTRA; qui abbiamo individuato riflessioni satelliti nelle nostre misure di diffrazione, associate a superstruttura ordinata in 3D, chiamata Q2, dei droganti iO nel reticolo cristallino. Una volta individuata tale superstruttura, abbiamo studiato la sua distribuzione spaziale utilizzando raggi X focalizzati su scala micro-metrica, sulla beamline ID13 di ESRF. Qui abbiamo trovato che la distribuzione spaziale (figura
1a, 1b) di questi domini ordinati segue un comportamento scale-free, descritto da una legge a potenza tipica delle strutture frattali. È stato davvero sorprendente, in seguito, scoprire che una maggiore estensione di questi domini frattali, dava luogo ad una superconduttività con temperatura critica più alta. Questi risultati aprono nuove strade sia per la comprensione e il controllo del meccanismo superconduttivo, sia per la sintesi e il design di nuovi dispositivi superconduttivi.

Authors: M. Fratini, N. Poccia, A. Ricci, G. Campi, M. Burghammer, G. Aeppli & A. Bianconi

Title: Scale-free structural organization of oxygen interstitials in La2CuO41+y

Journal: Nature

Year: 2010

References: 466 (2010) pp. 841-844