Vortici di caos quantistico che emergono spontaneamente in strati atomicamente sottili di materiale isolante hanno sconcertato i fisici, richiedendo revisioni di modelli che potrebbero risolvere alcuni problemi urgenti nel tentativo di comprendere la superconduttività. Fisici sperimentali dell’Università di Princeton negli Stati Uniti e dell’Istituto nazionale giapponese per la scienza dei materiali hanno esaminato la comparsa spontanea di fluttuazioni quantistiche in un punto di transizione dal traffico di elettroni all’autostrada superconduttiva che attraversa un paesaggio bidimensionale.
“Il modo in cui una fase superconduttiva può essere trasformata in un’altra fase è un’interessante area di studio“, ha dichiarato Sanfeng Wu, fisico e autore senior di Princeton: “E da un po’ siamo interessati a questo problema relativo ai materiali atomicamente sottili, puliti e monocristallini“.
Comprendere le dinamiche della superconduttività
Gli elettroni che vanno alla deriva attraverso il cablaggio di rame dietro un muro a secco hanno difficoltà a spostarsi da A a B. Accendi il televisore e il fenomeno dell’ora di punta si svolge in quei fili, con gli elettroni che deviano e sbattono, mentre i minuscoli motori elettronici si surriscaldano.
La superconduttività è il sogno. È un movimento senza sforzo dall’inizio alla fine: nessun calore, nessuno spreco di energia. È quanto più efficiente può esserlo, perfetta per generare potenti campi elettromagnetici o calcoli ad alta velocità che non si sciolgono in una pozzanghera.
La superconduttività tuttavia, non è nemmeno esattamente una fase facile da produrre. Si verifica quando gli elettroni perdono il loro senso di individualità e si sincronizzano, formando le cosiddette coppie di Cooper: i due elettroni legati si comportano non più come fermioni, ma come un bosone.
Questo richiede un livello di freddo ottenibile solo con attrezzature pesanti e piuttosto imponenti. Tuttavia, se i ricercatori riuscissero a capire esattamente cosa innesca questa transizione quantistica e il ruolo svolto dalla temperatura, potrebbero semplicemente accontentarsi di un raffreddamento leggermente inferiore.
Un’area di ricerca sulla superconduttività prevede l’esame del comportamento quantistico degli elettroni intrappolati su quelle che sono effettivamente superfici 2D. Privati della capacità di muoversi su e giù, i fenomeni quantistici rendono la loro transizione verso uno stato superconduttivo molto più impegnativa.
“Man mano che si scende nelle dimensioni inferiori, le fluttuazioni diventano così forti da ‘uccidere’ ogni possibilità di superconduttività“, ha spiegato il fisico di Princeton Nai Phuan Ong.
Il principale killer dello stato rilassato dell’elettrone è meglio descritto come un vortice quantistico. O come lo ha descritto Ong: “Versioni quantistiche del vortice visto quando si svuota una vasca da bagno“.
Secondo la cosiddetta transizione BKT, secondo i premi Nobel Vadim Berezinskii, John Kosterlitz e David Thouless, questi vortici killer svaniscono nei materiali 2D quando la temperatura diviene abbastanza bassa.
Indagando su questo spazio di tornado quantistici che devastano gli stati di superconduttività, Wu e il suo team hanno creato un singolo strato di ditelluride di tungsteno semi-metallico, che a qualsiasi temperatura più calda di un baffo sopra lo zero assoluto è un isolante che soffoca l’energia.
Il pompaggio di un numero sufficiente di elettroni, tuttavia, costringe la corrente a fluire in modo superconduttore. Eppure i ricercatori hanno notato qualcosa di abbastanza insolito quando la temperatura è crollata: aggiungi abbastanza elettroni e ottieni la superconduttività. A un livello critico di traffico di elettroni, però, quei vortici quantistici ritornano, interrompendo la corrente.
La misurazione dei vortici ha rivelato che non si è trattato dei normali vortici quantistici, poiché sono rimasti stabili a temperature e campi magnetici più elevati di quanto previsto dalla teoria. Quando il numero di elettroni scende al di sotto di una quantità precisa, i vortici svaniscono improvvisamente.
“Ci aspettavamo di vedere forti fluttuazioni persistere al di sotto della densità elettronica critica sul lato non superconduttore, proprio come le forti fluttuazioni osservate ben al di sopra della temperatura di transizione BKT“, ha specificato Wu.
“Quello che abbiamo scoperto tuttavia è che i segnali del vortice svaniscono ‘improvvisamente’ nel momento in cui viene superata la densità elettronica critica e questo è stato uno shock. Non possiamo spiegare affatto questa osservazione: la ‘morte improvvisa‘ delle fluttuazioni“, ha concluso Wu nel suo studio sulla superconduttività.
Nuovi modelli introducono le possibilità di nuove frontiere di ricerca sulla superconduttività che potrebbero portare a nuove tecnologie. Considerati i potenziali benefici derivanti dallo sviluppo della superconduttività a temperatura ambiente, è utile avere una buona mappa del tempo nel panorama quantistico.
