I ricercatori dell’Università del Maryland, del National Institute of Standards and Technology (NIST), del National High Magnetic Field Laboratory (NHMFL) e dell’Università di Oxford hanno osservato un raro fenomeno chiamato superconduttività rientrante nel ditelluride di uranio. La scoperta promuove la ditelluride di uranio come materiale promettente per l’uso nei computer quantistici.
Soprannominato “superconduttività di Lazzaro” dal personaggio biblico risorto dalla morte, il fenomeno si verifica quando sorge uno stato superconduttore si rompe, riemergendo poi in un materiale a causa di una modifica di un parametro specifico, in questo caso l’applicazione di un campo magnetico molto forte. I ricercatori hanno pubblicato i loro risultati sulla rivista Nature Physics.
Respinta in passato dai fisici per la sua apparente mancanza di interessanti proprietà fisiche, la ditelluride di uranio sta vivendo il suo momento Lazzaro. L’attuale studio è il secondo in altrettanti mesi (entrambi pubblicati da membri dello stesso gruppo di ricerca) che dimostrano stati di superconduttività insoliti e sorprendenti in questo materiale.
“Questo è un superconduttore scoperto di recente con una serie di altri comportamenti non convenzionali, quindi è già strano“, ha detto Nicholas Butch, assistente professore associato di fisica all’UMD e fisico presso il Centro NIST per la ricerca sui neutroni. “[La superconduttività di Lazzaro] ha quasi sicuramente qualcosa a che fare con la novità del materiale. C’è qualcosa di diverso in corso lì dentro“.
La ricerca precedente, pubblicata sulla rivista Science, descriveva il raro ed esotico stato fondamentale noto come superconduttività di spin-triplet nella ditelluride dell’uranio. La scoperta ha fatto pensare ai ricercatori che la ditelluride di uranio meritasse una seconda occhiata a causa delle sue insolite proprietà fisiche e del suo elevato potenziale di utilizzo nei computer quantistici.
“Questo è davvero un materiale straordinario e ci tiene molto impegnati“, ha dichiarato Johnpierre Paglione, professore di fisica all’UMD, direttore del Centro per la nanofisica e i materiali avanzati (CNAM; presto verrà ribattezzato Quantum Materials Center) e uno dei coautori del documento. “La ditelluride di uranio potrebbe benissimo diventare il superconduttore di spin-triplet da manuale che cerchiamo da decine di anni e probabilmente ha in serbo altre sorprese. Potrebbe essere il prossimo stronzio ruthenate, un altro superconduttore di spin-triplet proposto che è stato studiato per più di 25 anni“.
La superconduttività è uno stato in cui gli elettroni viaggiano attraverso un materiale con efficienza perfetta. Il rame – che è secondo solo all’argento in termini di capacità di condurre elettroni – perde circa il 20% di potenza sulle linee di trasmissione a lunga distanza, mentre gli elettroni si urtano all’interno del materiale durante il viaggio.
La superconduttività di Lazzaro è particolarmente strana, perché i forti campi magnetici di solito distruggono lo stato superconduttore nella stragrande maggioranza dei materiali. Nella ditelluride dell’uranio, tuttavia, un forte campo magnetico accoppiato a specifiche condizioni sperimentali ha provocato la superconduttività di Lazzaro non solo una volta, ma due volte.
Per Butch, Paglione e il loro team, la scoperta di questa rara forma di superconduttività nella ditelluride di uranio è stata fortuita; l’autore principale dello studio, il ricercatore associato del CNAM Sheng Ran, ha sintetizzato accidentalmente il cristallo mentre tentava di produrre un altro composto a base di uranio. Il team ha deciso di provare comunque alcuni esperimenti, anche se le precedenti ricerche sul composto non avevano prodotto nulla di insolito.
La curiosità della squadra è stata premiata più volte. Nel precedente articolo su Science, i ricercatori hanno riferito che la superconduttività della ditelluride di uranio comporta insolite configurazioni di elettroni chiamate triplette di spin, in cui le coppie di elettroni sono allineate nella stessa direzione. Nella stragrande maggioranza dei superconduttori, gli orientamenti – chiamati spin – degli elettroni accoppiati puntano in direzioni opposte. Queste coppie sono (in qualche modo controintuitivamente) chiamate singoletti. I campi magnetici possono interrompere facilmente gli accoppiamenti, uccidendo la superconduttività.
I superconduttori a triplo spin, tuttavia, possono resistere a campi magnetici molto più elevati. I primi risultati del team li hanno portati a NHMFL, dove una combinazione unica di magneti ad altissimo campo, strumentazione capace e competenza dei residenti ha permesso ai ricercatori di spingere ulteriormente la ditelluride dell’uranio.
In laboratorio, il team ha testato la ditelluride di uranio in alcuni dei più alti campi magnetici disponibili. Esponendo il materiale a campi magnetici fino a 65 tesla – oltre 30 volte la forza di un tipico magnete per risonanza magnetica – il team ha tentato di trovare il limite superiore al quale i campi magnetici bloccavano la superconduttività del materiale. Butch e il suo team hanno anche sperimentato l’orientamento del cristallo di ditelluride di uranio a diversi angoli in relazione alla direzione del campo magnetico.
A circa 16 tesla, lo stato superconduttore del materiale è cambiato bruscamente. Mentre è morto nella maggior parte degli esperimenti, ha persistito quando il cristallo è stato allineato con un angolo molto specifico in relazione al campo magnetico. Questo comportamento insolito è continuato fino a circa 35 tesla, a quel punto tutta la superconduttività è svanita e gli elettroni cambiato il loro allineamento, entrando in una nuova fase magnetica.
Mentre i ricercatori aumentavano il campo magnetico e continuavano a sperimentare gli angoli, hanno scoperto che un diverso orientamento del cristallo produceva una nuova fase superconduttiva che è persistita fino ad almeno 65 tesla, la massima intensità di campo testata dal team. È stata una prestazione da record per un superconduttore e ha segnato la prima volta che sono state trovate due fasi di superconduttori indotte sul campo nello stesso composto.
Butch ha affermato che le prove indicano un fenomeno fondamentalmente diverso da qualsiasi cosa gli scienziati abbiano visto fino ad oggi.
“Sto per uscire con un articolo in cui spiego che questo è probabilmente diverso – quantomicamente meccanicamente diverso – dagli altri superconduttori che conosciamo“, ha detto Butch. “Penso che ci vorrà del tempo per capire cosa sta succedendo“.
Oltre alla sua fisica che sfida le convenzioni, la ditelluride di uranio mostra tutti i segni di essere un superconduttore topologico, come lo sono altri superconduttori a tripla spin, ha aggiunto Butch. Le sue proprietà topologiche suggeriscono che potrebbe essere un componente particolarmente preciso e robusto nei computer quantistici del futuro.
“La scoperta della superconduttività di Lazzaro in campi magnetici da record è una delle scoperte più importanti che emergono da questo laboratorio nei suoi 25 anni di storia“, ha dichiarato il direttore della NHMFL Greg Boebinger. “Non sarei sorpreso se svelare i misteri della ditelluride dell’uranio porti a manifestazioni ancora più strane di superconduttività in futuro“.
Fonte: Phys.org
