Nel profondo dei solidi, i singoli elettroni sfrecciano su un'autostrada su nanoscala lastricata di atomi. Per la maggior parte, questi elettroni si evitano a vicenda, tenuti in corsie separate dalla loro reciproca repulsione. Ma le vibrazioni nella strada atomica possono offuscare le loro corsie e talvolta consentire alle minuscole particelle di accoppiarsi. Il risultato è un viaggio fluido e senza perdite, ed è un modo per creare superconduttività.

Ma ce ne sono altri, modi meno comuni per ottenere questo effetto. Scienziati dell'Università del Maryland (UMD), l'Università della California, Irvine (UCI) e la Fudan University hanno ora dimostrato che piccoli tremori magnetici portano alla superconduttività in un materiale costituito da nanostrati metallici. E, oltre a questo, le coppie di elettroni risultanti frantumano una simmetria fondamentale tra passato e futuro. Sebbene il materiale sia un noto superconduttore, questi ricercatori forniscono un modello teorico e una misurazione, quale, per la prima volta, rivela inequivocabilmente la natura esotica del materiale.

Nei materiali quantistici, rompere la simmetria tra passato e futuro significa spesso fasi non convenzionali della materia. Il campione di nichel-bismuto (Ni-Bi) qui studiato è il primo esempio di materiale 2-D in cui questo tipo di superconduttività è intrinseca, nel senso che avviene senza l'aiuto di agenti esterni, come un superconduttore vicino. Questi risultati, recentemente pubblicato in Progressi scientifici , rendono il Ni-Bi una scelta interessante da utilizzare nei futuri computer quantistici. Questa ricerca può anche aiutare gli scienziati nella loro ricerca di altri superconduttori altrettanto strani.

Mehdi Kargarian, un ricercatore post-dottorato presso UMD e coautore del documento, spiega che anche dopo un secolo di studio, la superconduttività rimane una vivace area di ricerca. "È un problema piuttosto vecchio, quindi è sorprendente che le persone stiano ancora scoprendo tipi di superconduttività in laboratorio che non hanno precedenti, " Kargarian dice, aggiungendo che in genere ci sono due domande che gli scienziati pongono a un nuovo superconduttore. "Primo, vogliamo capire l'accoppiamento di elettroni sottostante:cosa sta causando la superconduttività, " dice. "La seconda cosa, relative alle applicazioni, è vedere se la superconduttività è possibile a temperature più elevate."

Superconduttori, in particolare i tipi esotici, rimangono in gran parte incatenati a ingombranti apparecchiature criogeniche. Gli scienziati stanno cercando modi per aumentare le temperature dei superconduttori, rendendo così questi materiali più facili da usare per cose come una migliore distribuzione dell'elettricità e la costruzione di dispositivi quantistici. In questa nuova ricerca, il team affronta la prima domanda di Kargarian e il materiale suggerisce una prospettiva positiva per la seconda domanda. La sua superconduttività esotica, anche se ancora criogenico, avviene ad una temperatura più elevata rispetto ad altri sistemi simili.

La superconduttività Ni-Bi è stata osservata per la prima volta nei primi anni '90. Ma dopo, quando gli scienziati della Fudan University pubblicarono studi su un ultrapuro, campione ultrasottile, hanno notato che stava succedendo qualcosa di insolito.

La stranezza inizia con la stessa superconduttività. Il bismuto da solo non è un superconduttore, tranne che a temperature straordinariamente basse e ad alta pressione, condizioni che non sono facili da raggiungere. Il nichel è magnetico e non un superconduttore. Infatti, potenti magneti sono noti per sopprimere l'effetto. Ciò significa che troppo nichel distrugge la superconduttività, ma una piccola quantità lo induce.

I teorici dell'UMD hanno proposto che le fluttuazioni nel magnetismo del nichel siano al centro di questo effetto peculiare. Questi minuscoli tremori magnetici aiutano gli elettroni a formare coppie, facendo così il lavoro svolto dalle vibrazioni nei superconduttori convenzionali. Se c'è troppo nichel, il magnetismo domina e l'effetto delle fluttuazioni diminuisce. Se c'è troppo bismuto, poi la superficie superiore, dove avviene la superconduttività, è troppo lontano dalla fonte delle fluttuazioni magnetiche.

La zona dei riccioli d'oro si verifica quando uno strato di bismuto dello spessore di venti nanometri viene coltivato sopra due nanometri di nichel. Per questa combinazione di strati, la superconduttività si verifica a circa 4 gradi sopra lo zero assoluto. Anche se questo è freddo come lo spazio profondo, in realtà è abbastanza intuitivo e raggiungibile utilizzando apparecchiature criogeniche standard.

L'idea che le fluttuazioni magnetiche possano promuovere la superconduttività non è nuova e risale alla fine del XX secolo. Però, la maggior parte degli esempi precedenti di tale comportamento richiedono condizioni operative rigorose, come l'alta pressione. I ricercatori spiegano che il Ni-Bi è diverso perché il raffreddamento diretto è sufficiente per ottenere questo tipo di superconduttività esotica, che rompe la simmetria temporale.

I ricercatori hanno impiegato un apparato altamente personalizzato per cercare i segni della simmetria rotta. La luce dovrebbe ruotare quando riflessa da campioni che hanno questa proprietà. Per Ni-Bi, la quantità prevista di rotazione della luce è di decine di nanoradianti, che è circa 100 miliardesimi di segno di spunta su un quadrante. Jing Xia, un coautore del documento e un professore all'UCI, dispone di uno dei pochi dispositivi al mondo in grado di misurare una rotazione della luce così impercettibile.

Per misurare questa rotazione per Ni-Bi, le onde luminose vengono prima iniettate in un'estremità di una singola fibra ottica speciale. Le due onde viaggiano attraverso la fibra, come su percorsi indipendenti. Colpiscono il campione e poi ripercorrono i loro percorsi. Al ritorno, le onde si combinano e formano un motivo. Rotazioni delle onde luminose - da, dire, rottura della simmetria:apparirà nel modello analizzato come piccole traduzioni. Xia e i suoi colleghi dell'UCI hanno misurato circa 100 nanoradianti di rotazione, confermando la rottura della simmetria. È importante sottolineare che l'effetto è apparso proprio quando il campione Ni-Bi è diventato un superconduttore, suggerendo che la rottura della simmetria temporale e la comparsa della superconduttività siano fortemente legate.

Questa forma di superconduttività è rara e i ricercatori affermano che non esiste ancora una ricetta per realizzarla. Ma, come sottolinea Xia, c'è una guida nella matematica dietro il comportamento degli elettroni. "Sappiamo matematicamente come fare in modo che le coppie di elettroni rompano la simmetria di inversione del tempo, " dice Xia. Praticamente, come si ottiene questo formalmente? Questa è la domanda da un milione di dollari. Ma il mio istinto è che quando ottieni la superconduttività mediata dalle fluttuazioni magnetiche, come in questo materiale, allora è molto probabile che tu rompa quella simmetria."