Laser beams for superconductivity

New research published in Nature Physics

A laser pulse, a special material, an extraordinary property which appears inexplicably. These are the main elements that emerge from a research conducted by an international team, coordinated by Michele Fabrizio and comprising Andrea Nava and Erio Tosatti from SISSA, Claudio Giannetti from the Università Cattolica di Brescia and Antoine Georges of from the Collège de France. The results of their study have recently been published in the journal Nature Physics. The key element of the study is a compound of the most symmetrical molecule that exists in Nature, namely C60 bucky-ball, a spherical fullerene.

It is well known that this compound, with the chemical formula K3C60, can behave as a superconductor – that is, conduct without dissipating energy – below a critical temperature of 20 degrees Kelvin, i.e. around -253 degrees Celsius. It has recently been discovered that K3C60 is capable of transforming into a high-temperature superconductor when struck by an extremely brief laser pulse. This material takes on superconductive properties – albeit extremely briefly – up to a temperature of -73 degrees Centigrade, almost 100 degrees above the critical equilibrium temperature. The research just published by the scientists explains the reason for this mysterious behaviour.

K3C60 is a compound in which purely molecular features coexist alongside metallic properties, a characteristic shared by so-called “strongly correlated” materials. According to the theory developed by the researchers in this study, the laser beam creates a high-energy molecular excitation, yet in order to do so it must absorb heat from the low-energy metallic component, which thus cools. As it is specifically the metallic component involved in conduction, its cooling may lead to a superconductivity phase despite the external temperature is higher than the critical temperature.

As the researchers explain: “It is an example of laser cooling, yet with a new operating mechanism which had never been proposed until now. The fact that the laser pulse can transiently change the characteristics of a material is a significant observation. It may offer the prospect of manufacturing electronic devices whose properties change with the use of light, as if it were a switch. Indeed, the ultra-rapid control of materials with light sources is of great current interest for the scientific community and for the possible technological ramifications of these applications”. (Image by Pixabay)

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Un impulso laser, uno speciale materiale, una proprietà straordinaria che appare inspiegabilmente. Sono questi gli elementi principali di una ricerca condotta da un’equipe internazionale coordinata da Michele Fabrizio e composta da Andrea Nava ed Erio Tosatti della SISSA, Claudio Giannetti dell’Università Cattolica di Brescia e Antoine Georges del Collège de France. I risultati di questo studio sono stati appena pubblicati sulla rivista Nature Physics. Protagonista dello studio è un composto della molecola più simmetrica esistente in Natura, il C60, appartenente alla classe dei fullereni e contraddistinta dalla caratteristica forma di una palla da calcio.

È noto che questo composto, con formula chimica K3C60, possa comportarsi come un superconduttore, e quindi condurre senza dissipare energia, al di sotto di una temperatura critica di 20 gradi Kelvin, corrispondenti a circa -253 gradi centigradi. Recentemente è stato scoperto che il K3C60 è capace di trasformarsi in un superconduttore ad alta temperatura quando colpito da un rapidissimo impulso laser. Questo materiale assume proprietà superconduttive, anche se per brevissimi istanti, fino a una temperatura di -73 gradi centigradi, quasi 100 gradi sopra la temperatura critica di equilibrio. Con la ricerca appena pubblicata gli scienziati hanno chiarito la ragione di questo misterioso comportamento.

Il K3C60 è un composto in cui proprietà prettamente molecolari coesistono con proprietà metalliche, una caratteristica comune dei materiali cosiddetti “fortemente correlati”.  Secondo la teoria sviluppata dai ricercatori in questo studio, il raggio laser crea un’eccitazione molecolare ad alta energia ma per farlo deve assorbire calore dalla componente metallica di bassa energia, che pertanto si raffredda. Poiché è proprio la componente metallica quella coinvolta nella conduzione, il suo raffreddamento può stabilizzare una fase di superconduttività nonostante la temperatura esterna sia maggiore di quella critica.    

Spiegano i ricercatori: “Si tratta di un esempio di laser cooling ma con un nuovo meccanismo di funzionamento mai proposto fino a ora. Il fatto che il raggio di luce possa cambiare per qualche istante le caratteristiche di un materiale è un’osservazione importante. In prospettiva potrebbe permettere la costruzione di dispositivi elettronici con caratteristiche che cambiano con l’uso della luce, come se  fosse un interruttore. Il controllo ultrarapido dei materiali con fonti di luce, del resto, è oggi un campo di grande interesse per la comunità scientifica e per le possibili ripercussioni tecnologiche di queste applicazioni”.

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A cura dell'Ufficio Stampa

SISSA

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