Un team di ricercatori dell’Università di Manchester ha compiuto un passo fondamentale nel campo della superconduttività, realizzando un nuovo sistema unidimensionale (1D).
La superconduttività nel regime quantistico di Hall
La superconduttività, la straordinaria proprietà di alcuni materiali di condurre l’elettricità senza alcuna resistenza, offre un enorme potenziale per rivoluzionare le tecnologie quantistiche. La realizzazione della stessa all’interno del regime quantistico di Hall, caratterizzato da una conduttanza elettrica quantizzata, tuttavia si è dimostrata una sfida scientifica estremamente ardua.
Il regime quantistico di Hall si verifica in alcuni materiali a bassa temperatura e in forti campi magnetici, dove gli elettroni si muovono solo in traiettorie circolari ben definite. Questo fenomeno porta a una conduttanza elettrica quantizzata, ovvero a un valore discreto e ben preciso di conduttività.
L’unione della superconduttività con il regime quantistico di Hall aprirebbe nuove frontiere per la tecnologia quantistica. I dispositivi basati su questa combinazione potrebbero avere applicazioni rivoluzionarie in diversi campi, come la computazione quantistica, l’elettronica a basso consumo e la sensoristica di precisione.
Nonostante il potenziale immenso, la realizzazione di essa nel regime quantistico di Hall è stata ostacolata da diverse problematiche. Una delle principali difficoltà è la compatibilità tra i due fenomeni. La superconduttività richiede una forte accoppiamento tra gli elettroni, mentre il regime quantistico di Hall tende a sopprimere questo tipo di interazione.
La realizzazione di dispositivi funzionali basati su questa combinazione, inoltre, richiede la creazione di strutture nanometriche con elevata qualità e precisione. La fabbricazione di tali dispositivi è un’impresa tecnologica complessa che richiede lo sviluppo di nuove tecniche e materiali.
Superconduttività: dettagli della ricerca e risultati iniziali
La ricerca, pubblicata sulla rivista Nature, ha descritto in dettaglio il vasto lavoro del team di Manchester guidato dal professor Andre Geim, dal dottor Julien Barrier e dal dottor Na Xin per ottenere la superconduttività nel regime di Hall quantistico. I loro sforzi iniziali hanno seguito il percorso convenzionale in cui gli stati marginali in contropropagazione venivano portati in stretta vicinanza l’uno all’altro. Questo approccio però si è rivelato limitato.
il dottor Barrier, autore principale dell’articolo, ha spiegato: “I nostri esperimenti iniziali sono stati motivati principalmente dal forte interesse persistente per la superconduttività di prossimità indotta lungo gli stati limite di Hall quantistici. Questa possibilità ha portato a numerose previsioni teoriche riguardanti l’emergere di nuove particelle note come anioni non abeliani”.
Il team ha quindi esplorato una nuova strategia ispirata al lavoro precedente, dimostrando che i confini tra i domini nel grafene potrebbero essere altamente conduttivi. Posizionando tali pareti di dominio tra due superconduttori, hanno ottenuto la prossimità finale desiderata tra gli stati marginali di contropropagazione, riducendo al minimo gli effetti del disordine.
Scoperta della superconduttività 1D monomodale
Ulteriori indagini hanno rivelato che la superconduttività di prossimità non ha origine dagli stati quantistici del bordo Hall che si propagano lungo le pareti del dominio, ma piuttosto da stati elettronici strettamente 1D esistenti all’interno delle pareti del dominio stesso.
Questi stati 1D, di cui è stata dimostrata l’esistenza dal gruppo teorico del professor Vladimir Fal’ko presso il National Graphene Institute, hanno mostrato una maggiore capacità di ibridarsi con la superconduttività rispetto agli stati limite di Hall quantistici. Si ritiene che la natura unidimensionale intrinseca degli stati interni sia responsabile delle robuste supercorrenti osservate ad alti campi magnetici.
Questa scoperta della superconduttività 1D monomodale ha mostrato strade entusiasmanti per ulteriori ricerche.
il dott. Barrier ha dichiarato: “Nei nostri dispositivi, gli elettroni si propagano in due direzioni opposte all’interno dello stesso spazio su scala nanometrica e senza dispersione. Tali sistemi 1D sono eccezionalmente rari e promettono di affrontare un’ampia gamma di problemi di fisica fondamentale”.
Il team ha già dimostrato la capacità di manipolare questi stati elettronici utilizzando la tensione di gate e di osservare le onde di elettroni stazionari che modulano le proprietà superconduttrici.
Il dott. Xin ha concluso: “È affascinante pensare a cosa potrà portarci in futuro questo nuovo sistema. La superconduttività 1D presenta un percorso alternativo verso la realizzazione di quasiparticelle topologiche che combinano l’effetto Hall quantistico e la superconduttività. Questo è solo un esempio del vasto potenziale che le nostre scoperte racchiudono”.
20 anni dopo l’avvento del primo materiale grafene 2D, questa ricerca dell’Università di Manchester rappresenta un altro passo avanti nel campo della superconduttività. Si prevede che lo sviluppo di questo nuovo superconduttore 1D aprirà le porte ai progressi nelle tecnologie quantistiche e la strada a ulteriori esplorazioni della nuova fisica, attirando l’interesse di varie comunità scientifiche.
