Bande piatte nei metalli Kagome potrebbero sbloccare i futuri superconduttori

Nuovi progressi nei superconduttori Kagome

Superconduttori sono materiali che trasportano elettricità senza resistenza, ma fino ad ora hanno funzionato solo in condizioni estreme. I metalli Kagome potrebbero cambiare questo.”
Questo fornisce una base ai lettori che potrebbero non essere esperti di fisica.

Nel novembre 2024, abbiamo discusso di un nuovo materiale per nuove teorie magnetiche, sviluppato da ricercatori della Rice University.

Questa scoperta è stata costruita sulla pubblicazione del 2022, in cui i ricercatori hanno scoperto che “materiale kagome”, un tipo di cristallo metallico, presenta proprietà magnetiche sorprendenti.

Il suo nome deriva dal motivo di tessitura kagome usato nell’artigianato tradizionale giapponese, o piastrellatura tri-esagonale, con triangoli sovrapposti e grandi vuoti esagonali.

Fonte: Research Gate

In modo simile, i materiali kagome, come, ad esempio, i cristalli magnetici di ferro-germanio, sono organizzati secondo questo schema a livello atomico.

Un altro metallo kagome a base di cromo, CsCr₃Sb₅ (cesio-cromo-antimonio), sembra avere un enorme potenziale per futuri componenti elettronici, inclusi superconduttori, isolanti topologici e dispositivi elettronici basati sullo spin, secondo l’ultimo articolo dei ricercatori della Rice University, pubblicato su Nature Communications¹, con il titolo “Spin excitations and flat electronic bands in a Cr-based kagome superconductor”.

Proprietà magnetiche ed elettroniche dei materiali Kagome

Già nel 2022, erano state notate proprietà uniche del materiale kagome:

• Gli effetti magnetici richiedono che gli elettroni fluiscano attorno ai triangoli kagome, simili alla superconduttività.
  • Sebbene questi effetti magnetici e delle onde di densità di carica non siano superconduttività nel senso convenzionale, i ricercatori hanno confermato che tali fenomeni nei materiali kagome possono persistere anche a temperatura ambiente e a condizioni di pressione normale. Questo li rende preziosi trampolini verso la scoperta di superconduttori a temperatura più elevata.
• La presenza di un “charge density wave”, dove gli elettroni si “uniscono” in un’onda collettiva, trasportando collettivamente una corrente elettrica.
  • A differenza della superconduttività “normale”, questo avviene a impulsi, come l’acqua che gocciola da un rubinetto, più che come un flusso continuo di elettroni.
• Nonostante mostrino onde di densità di carica, i materiali kagome mostrano anche proprietà magnetiche, che di solito sono due proprietà incompatibili.

Nel complesso, la natura molto organizzata dei materiali kagome potrebbe renderli più facili da studiare fenomeni ai limiti della nostra comprensione dell’elettromagnetismo, come “unconventional superconductivity” o “the continual fluctuations between magnetic states in quantum spin liquids”.

Realizzare un superconduttore Kagome

Banda piatta Elettroni 

Elettroni a banda piatta sono elettroni in un tipo speciale di banda di energia elettronica che ha un’energia costante, o dispersione “piatta”, il che significa che gli elettroni hanno la stessa energia cinetica indipendentemente dal loro momento.

Meno tecnicamente, ciò significa uno stato super-denso, in cui gli elettroni possono comportarsi come superconduttori, ma senza le consuete condizioni prerequisite per la superconduttività (ultra-freddo o ultra-alta pressione).

Finora, stabilizzare le reticelle kagome per portare le bande piatte al livello energetico richiesto è stato difficile da realizzare. Fino a quando non è stato usato CsCr₃Sb₅.

“I nostri risultati confermano una sorprendente previsione teorica e stabiliscono una via per ingegnerizzare superconduttività esotica attraverso il controllo chimico e strutturale,”
Pengcheng Dai – Rice’s Department of Physics and Astronomy

Costruire il cristallo giusto

CsCr₃Sb₅ si cristallizza naturalmente in una reticolazione esagonale a strati.

Fonte: Nature Communications

Tuttavia, per osservare l’effetto su larga scala e avere un materiale che sarà utile per future applicazioni commerciali, era necessario un cristallo molto più grande.

Raffinando i loro metodi precedenti, i ricercatori sono riusciti a produrre campioni 100 volte più grandi rispetto a quanto fatto in precedenza.

Analisi ARPES e RIXS del superconduttore Kagome CsCr₃Sb₅

Per visualizzare la struttura elettronica di CsCr3Sb5, i ricercatori hanno utilizzato una tecnica chiamata ARPES (spettroscopia fotoemissione a risoluzione angolare). Essa crea una mappa dell’elettrone sotto luce generata da un acceleratore di particelle (sincrotrone).

Fonte: Nature Communications

Ha rivelato firme distinte associate a orbitali molecolari compatti, segno di bande elettroniche piatte, e ha confermato che tutte le geometrie di polarizzazione contribuiscono alla formazione delle bande piatte.

“I risultati ARPES e RIXS del nostro team collaborativo forniscono un quadro coerente secondo cui le bande piatte qui non sono spettatori passivi ma partecipanti attivi nella modellazione del panorama magnetico ed elettronico.”
Qimiao Si – Rice’s Department of Physics and Astronomy

Successivamente hanno utilizzato RIXS (scattering di raggi X risonante inelastico) per misurare gli stati di eccitazione magnetica.

Anche questo ha confermato la presenza di bande piatte, indipendente dai risultati ARPES.

Fonte: Nature Communications

Effetti della temperatura sul potenziale di superconduttività Kagome

Gli scienziati hanno poi verificato l’effetto della variazione di temperatura sulle proprietà di questo nuovo materiale.

Contrariamente ad altri potenziali materiali superconduttori, le proprietà erano migliori a 140°C (-133°C / -207°F) rispetto a 10°C (-263°C / -441°F).

Fonte: Nature Communications

Nel complesso, questi esperimenti non solo hanno identificato un nuovo materiale molto promettente, ma hanno anche dimostrato che la geometria della reticolazione è direttamente collegata a stati quantistici emergenti.

“Identificando bande piatte attive, abbiamo dimostrato una connessione diretta tra la geometria della reticolazione e gli stati quantistici emergenti,”
Ming Yi – Rice’s Associate Professor of Physics and Astronomy.

Applicazioni potenziali

La densità di stati delle bande piatte si trova a livelli energetici vicino a un punto critico quantistico, potenzialmente abilitando la superconduttività.

Questo è anche un miglioramento rispetto alla precedente reticolazione di metallo kagome, poiché le bande piatte kagome forniscono un’alta densità di stati su una porzione molto più ampia del materiale.

CsCr3Sb5 sopprime anche l’onda di densità osservata in altri materiali kagome, migliorando ulteriormente il suo potenziale di superconduttività.

Un superconduttore kagome ad alta temperatura o a temperatura ambiente sarebbe rivoluzionario per il calcolo quantistico, componenti elettronici spintronici (elettronica a basso consumo energetico) e materiali topologici (simili al nuovo stato della materia sviluppato dal team di calcolo quantistico di Microsoft (MSFT )).

Potrebbe anche avere potenziale come “semplicemente” un superconduttore ad alta temperatura, che sarebbe utilizzabile in levitazione magnetica, tecnologia militare e generazione di energia.

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Leader nelle soluzioni di superconduttività

AMSC è un’azienda che fornisce soluzioni energetiche per la rete elettrica, le navi e l’energia eolica. In generale, più un sistema è affamato di energia o massiccio, più richiede la tecnologia dei superconduttori per evitare il surriscaldamento.

Nonostante il suo nome, ASMC fornisce non solo sistemi superconduttori ma anche, ad esempio, trasmissioni a ingranaggi per turbine eoliche.

L’azienda sta beneficiando di molteplici fattori di crescita, dalla tendenza all’elettrificazione e digitalizzazione (inclusi i data center AI), ma anche dal reshoring delle capacità produttive statunitensi e dalla necessità delle marine dell’Anglosfera di modernizzarsi in risposta ai crescenti rischi geopolitici.

Fonte: American Superconductor Corporation [securities_stock_price_tag symbol="AMSC" exchange="NASDAQ"]

Nel segmento dell’alimentazione, AMSC ha registrato un costante aumento degli ordini. Questo è stato guidato da fabbriche di semiconduttori che cercano di proteggersi dalle fluttuazioni della rete elettrica, aiutando la rete a gestire la natura intermittente delle energie rinnovabili, e dall’alimentazione e controllo nei siti industriali.

Nel segmento delle turbine eoliche, AMSC è principalmente attiva con il suo Sistema di Controllo Elettrico (ECS). Storicamente, l’ESC era un segmento forte per l’azienda con le turbine eoliche da 2MW, ma è progressivamente diminuito. AMSC punta a una ripresa grazie al nuovo design della turbina da 3MW, con un’attenzione speciale al mercato indiano.

Fonte: American Superconductor Corporation

Per le navi militari, ASMC fornisce il “High Temperature Superconductor Magnetic Mine Countermeasure” di AMSC, un sistema per modificare la firma magnetica delle navi per proteggerle dalle mine marine. Questo è venduto alle marine di USA, Canada e Regno Unito, con ordini per un valore di 75 milioni di dollari finora.

Nel complesso, ASMC sta ottenendo i migliori risultati sfruttando la tecnologia dei superconduttori in applicazioni di nicchia attualmente realizzabili, pur essendo probabilmente pronta a implementare ulteriori progressi in futuro. Gli investitori dovrebbero anche notare che il titolo ha sperimentato una volatilità estrema in passato, e dovrebbero calcolare i rischi di conseguenza.

Ultime notizie e sviluppi sul titolo American Superconductor Corporation (AMSC)

Studio di riferimento

^{1. Wang, Z., Guo, Y., Huang, HY. et al. Eccitazioni di spin e bande elettroniche piatte in un superconduttore kagome a base di Cr. Nature Communications 16, 7573 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-62298-5}