I ricercatori della Brown University hanno dimostrato un metodo insolito per frenare la superconduttività, la capacità di un materiale di condurre una corrente elettrica con resistenza nulla.

La ricerca mostra che deboli campi magnetici, molto più deboli di quelli che normalmente interrompono la superconduttività, possono interagire con i difetti di un materiale per creare un "campo a calibro casuale, " una sorta di percorso ad ostacoli quantistico che genera resistenza per gli elettroni superconduttori.

"Stiamo interrompendo la superconduttività in un modo che le persone non hanno mai fatto prima, " ha detto Jim Valles, un professore di fisica alla Brown che ha diretto il lavoro. "Questo tipo di transizione di fase che coinvolge un campo di gauge casuale era stato previsto in teoria, ma questa è la prima volta che viene dimostrato in un esperimento".

La ricerca è pubblicata sulla rivista Rapporti scientifici .

Lo stato superconduttore dipende dalla formazione e propagazione di "coppie Cooper, "elettroni accoppiati che, a temperature molto basse, si comportano più come onde che come particelle. La loro proprietà ondulatoria consente loro di viaggiare attraverso la struttura di un materiale senza sbattere contro i nuclei atomici lungo il percorso, riducendo a zero la resistenza che incontrano. Le coppie Cooper prendono il nome da Leon Cooper, un fisico della Brown University che ha condiviso il Premio Nobel per la fisica nel 1972 per aver spiegato il loro comportamento.

I legami tra gli elettroni accoppiati non sono particolarmente forti. Un piccolo aumento della temperatura o la presenza di un campo magnetico con un'intensità superiore a un valore critico (il valore varia leggermente per materiali diversi) può rompere le coppie, che a sua volta rompe lo stato superconduttore.

Ma Valles ei suoi colleghi stavano studiando un metodo diverso per distruggere la superconduttività. Invece di dividere le coppie Cooper, Il team di Valles voleva vedere se potevano interrompere il modo in cui le coppie si propagano.

Quando un materiale è superconduttore, Le coppie di Cooper si propagano "in fase, " il che significa che i picchi e gli avvallamenti delle loro onde quantistiche sono correlati. Mettere fuori fase le onde le renderebbe incapaci di propagarsi in un modo che sosterrebbe lo stato superconduttore, convertendo così il materiale in un isolante.

Per dimostrare il fenomeno, Valles e i suoi colleghi hanno creato piccoli chip superconduttori fatti di bismuto amorfo. I chip sono stati realizzati con fori su scala nanometrica al loro interno, disposti secondo uno schema a nido d'ape ripetuto casualmente. Il team ha quindi applicato un debole campo magnetico ai chip. In circostanze normali, un superconduttore respingerà qualsiasi campo magnetico al di sotto di un valore critico e andrà dritto al superconduttore. Ma i difetti del bismuto hanno fatto sì che il materiale respingesse il campo magnetico in un modo particolare, formando minuscoli vortici di corrente elettrica che circondano ciascun foro.

Alle coppie Cooper superconduttrici, quei vortici formano un percorso ad ostacoli quantistico troppo difficile da attraversare. I vortici attuali spingono e tirano i fronti d'onda delle coppie di Cooper che passano in schemi casuali, facendo sfasare le onde tra loro.

"Stiamo interrompendo il movimento coerente dei fronti d'onda, " Disse Valles. "Di conseguenza le coppie Cooper diventano localizzate, incapaci di propagarsi, e il sistema passa da superconduttore a isolante".

La ricerca può aiutare gli scienziati a comprendere le proprietà fondamentali dei materiali superconduttori, in particolare, come i difetti in quei materiali potrebbero interrompere la superconduttività in determinate situazioni. Capire come si comportano questi materiali sarà importante man mano che il loro uso aumenta in applicazioni come i computer quantistici, che si baserà su stati superconduttori coerenti.

"Nella tecnologia, stiamo cercando di ottenere sempre di più dalle proprietà quantistiche dei materiali, ma quei materiali hanno tutti queste impurità disordinate in loro, " ha detto Valles. "Abbiamo mostrato gli effetti di un certo tipo di casualità quantistica in un superconduttore che è guidato da un campo magnetico e da difetti casuali. Quindi questo lavoro potrebbe essere interessante per capire quali limiti ci sono nello sfruttare le proprietà quantistiche dei materiali".

Valles spera che i risultati e la tecnica descritti nell'articolo porteranno ad altri progressi fondamentali.

"Possiamo mettere a punto questo variatore di fase in un modo ben definito che è semplice da modellare, che può permetterci di comprendere un po' meglio le transizioni di fase quantistiche, " ha detto Valles. "Quindi in un certo senso, abbiamo creato una nuova manopola che possiamo ruotare per influenzare le proprietà di questi materiali e vedere come reagiscono".