Il mondo dall'altra parte dello specchio di Alice nel Paese delle Meraviglie non è quello che sembra, ma la fisica speculare della transizione superconduttore-isolante funziona esattamente come previsto.

Gli scienziati sanno che questo è vero in seguito all'osservazione di un fenomeno notevole, la cui esistenza era stata prevista tre decenni fa, ma finora era sfuggita alla rilevazione sperimentale. L'osservazione conferma che gli stati quantistici fondamentali, superconduttività e superisolamento, entrambi sorgono in immagini speculari l'uno dell'altro, che potrebbe portare allo sviluppo di sensori supersensibili ed efficienti dal punto di vista energetico, rivelatori e interruttori logici per la scienza e la comunicazione, memoria e altre tecnologie emergenti.

"Il comportamento che abbiamo dimostrato è esattamente il comportamento previsto e previsto, " ha detto Valerii Vinokur, un Argonne Distinguished Fellow nella divisione Materials Science del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) Argonne National Laboratory.

Vinokur e i suoi colleghi hanno osservato il fenomeno, chiamata la carica di transizione Berezinskii-Kosterlitz-Thouless (BKT), in un film microscopicamente sottile di nitrito di niobio titanio superconduttore. La transizione di carica BKT è la controparte speculare della transizione BKT a vortice che gli scienziati hanno osservato molte volte nei materiali superconduttori. Vinokur e i suoi collaboratori presso il California Institute of Technology e l'Università di Novosibirsk in Russia hanno pubblicato online i loro risultati il ​​6 marzo. 2018, in Rapporti scientifici .

"Gli esperimenti condotti dal nostro team stabiliscono in modo definitivo l'esistenza dello stato superisolante e la validità dei suoi concetti fondamentali, compreso il concetto fondamentale di dualità carica-vortice, " disse Vinokur, che è anche Senior Fellow presso il Computation Institute dell'Università di Chicago. "I concetti di base alla base della nostra conoscenza dell'universo al suo livello più profondo si basano sul concetto di dualità".

Il concetto di dualità in fisica sostiene che insiemi fondamentali di fenomeni apparentemente si escludono a vicenda ma rappresentano due facce di una medaglia. L'esempio più noto di dualità è la dualità onda-particella della luce che appare nel regno quantistico. Materiali superisolanti e superconduttori, che sono gli opposti esatti, realizzare la dualità tra effetti elettrici e magnetici. Invece di trasmettere corrente elettrica senza alcuna perdita di potenza, come fanno i superconduttori, i superisolatori interrompono completamente il flusso di cariche sotto una tensione applicata. Ciò significa che i superconduttori mirroring hanno una conduttanza infinita, mentre i superisolanti hanno una resistenza infinita.

L'ultima scoperta si basa sul lavoro pubblicato nel 2008 da Vinokur e dai suoi collaboratori che hanno stabilito sperimentalmente l'esistenza dello stato superisolante, proponendo anche di "rispecchiare" il comportamento che si verifica nello stato superconduttore, derivandolo dal concetto quantistico più fondamentale, il principio di indeterminazione. Fisici teorici del CERN (il laboratorio europeo di fisica delle particelle), l'Università di Ginevra e l'Università di Perugia-Cristina Diamantini, Carlo Trugenberger e Pascuale Sodano - avevano previsto l'esistenza di questo stato superisolante, duale alla superconduttività, nel 1996. Ma la scoperta dello stato superisolante è stata così inaspettata che il team di Vinokur inizialmente non era a conoscenza della previsione.

La transizione BKT che sta alla base della dualità superconduttore-isolatore prende il nome dal compianto Vadim Berezinskii, Michael Kosterlitz e David Thouless. Kosterlitz e Thouless hanno collaborato nei primi anni '70 per sviluppare la loro teoria delle transizioni di fase topologiche, che sono abbastanza diversi dalle transizioni di fase che erano comunemente conosciute nella pratica quotidiana della fisica all'epoca.

Queste consuete transizioni di fase si manifestano come un brusco cambiamento nello stato della materia, come lo scioglimento del ghiaccio in acqua, o acqua bollente in vapore, ad una certa temperatura critica. Le transizioni di fase topologiche sono un po' come sciogliere i nodi di una cravatta, però. "Hai un chiaro cambiamento nelle proprietà del sistema senza apportare modifiche materiali visibili alle proprietà della cravatta, " Disse Vinokur.

Berezinskii aveva sviluppato indipendentemente idee simili, alla fine portando a numerose osservazioni di transizioni BKT a vortice in migliaia di esperimenti di superconduttività nel corso dei decenni. Però, fino ad ora, gli scienziati non avevano mai osservato in modo definitivo il riflesso speculare della transizione BKT del vortice - la transizione della carica BKT - sul lato superisolante della transizione superconduttore-isolante.

Kosterlitz, Thouless e Duncan Haldane hanno condiviso il Premio Nobel 2016 per la fisica per "scoperte teoriche delle transizioni di fase topologiche e delle fasi topologiche della materia, " avendo sviluppato i metodi matematici avanzati necessari per spiegare le transizioni di fase che si verificano in stati insoliti della materia, compresi materiali superconduttori e film magnetici sottili.

Una futura via di ricerca per Vinokur e i suoi colleghi sarà aumentare la temperatura alla quale il loro composto di nitrito di niobio e titanio passa allo stato superisolante. La temperatura di transizione è ora tra 100 e 200 millikelvin, che è solo una frazione di grado sopra lo zero assoluto (meno 459,6 gradi Fahrenheit). Ma aumentare la temperatura di transizione a 4 kelvin (meno 452,4 gradi Fahrenheit) costituirebbe una svolta tecnologica.

"Ciò significa che potremmo usare questi materiali nello spazio, perché 4 kelvin è la temperatura dello spazio, " Ha detto Vinokur. Le possibili applicazioni spaziali per tali materiali superisolanti includono rilevatori supersensibili per misurare le radiazioni elettromagnetiche e altri fenomeni, e interruttori per dispositivi elettronici, come i diodi a risparmio energetico.