La lotta per mantenere le bevande fredde durante l'estate è una lezione sulle classiche transizioni di fase. Per studiare le transizioni di fase, applicare calore a una sostanza e osservare come cambiano le sue proprietà. Aggiungi calore all'acqua e al cosiddetto "punto critico, " guarda come si trasforma in un gas (vapore). Togli il calore dall'acqua e guardalo trasformarsi in un solido (ghiaccio).

Ora, immagina di aver raffreddato tutto fino a temperature molto basse, così basse che tutti gli effetti termici svaniscono. Benvenuto nel regno quantico, dove la pressione e i campi magnetici fanno emergere nuove fasi in un fenomeno chiamato transizioni di fase quantistiche (QPT). Più che un semplice passaggio da una fase all'altra, QPT forma proprietà completamente nuove, come la superconduttività, in determinati materiali.

Applicare tensione a un metallo superconduttore, e gli elettroni viaggiano attraverso il materiale senza resistenza; la corrente elettrica scorrerà per sempre senza rallentare o produrre calore. Alcuni metalli diventano superconduttori ad alte temperature, che ha importanti applicazioni nella trasmissione di energia elettrica e nell'elaborazione dei dati basata su superconduttori. Gli scienziati hanno scoperto il fenomeno 30 anni fa, ma il meccanismo della superconduttività rimane un enigma perché la maggior parte dei materiali è troppo complessa per comprendere in dettaglio la fisica QPT. Una buona strategia sarebbe prima guardare a sistemi modello meno complicati.

Ora, Fisici e collaboratori dell'Università dello Utah hanno scoperto che i nanofili superconduttori realizzati in lega MoGe subiscono transizioni di fase quantistica da uno stato superconduttore a uno stato metallico normale quando vengono posti in un campo magnetico crescente a basse temperature. Lo studio è il primo a svelare il processo microscopico mediante il quale il materiale perde la sua superconduttività; il campo magnetico rompe coppie di elettroni, chiamate coppie Cooper, che interagiscono con altre coppie di Cooper e sperimentano una forza di smorzamento dagli elettroni spaiati presenti nel sistema.

I risultati sono pienamente spiegati dalla teoria critica proposta dal coautore Adrian Del Maestro, professore associato all'Università del Vermont. La teoria ha correttamente descritto come l'evoluzione della superconduttività dipenda dalla temperatura critica, ampiezza e orientamento del campo magnetico, area della sezione trasversale del nanocavo, e le caratteristiche microscopiche del materiale del nanofilo. Questa è la prima volta nel campo della superconduttività che tutti i dettagli del QPT previsti da una teoria sono stati confermati su oggetti reali in laboratorio.

"Le transizioni di fase quantistiche possono sembrare davvero esotiche, ma sono osservati in molti sistemi, dal centro delle stelle al nucleo degli atomi, e dai magneti agli isolanti, " ha detto Andrey Rogachev, professore associato presso l'U e autore senior dello studio. "Capendo le fluttuazioni quantistiche in questo sistema più semplice, possiamo parlare di ogni dettaglio del processo microscopico e applicarlo a oggetti più complicati."

Lo studio pubblicato online il 9 luglio 2018 in Fisica della natura .

Teorico incontra sperimentale

I fisici della materia condensata studiano cosa succede ai materiali con tutto il loro calore rimosso in due modi:i fisici sperimentali sviluppano materiali da testare in laboratorio, mentre i fisici teorici sviluppano equazioni matematiche per comprendere il comportamento fisico. Questa ricerca racconta la storia di come la teoria e la sperimentazione si siano informate e motivate a vicenda.

Come borsista post-dottorato, Rogachev ha dimostrato che l'applicazione di campi magnetici ai nanofili a basse temperature distorce la superconduttività. Ha compreso gli effetti a temperature finite, ma non è giunto a nessuna conclusione su ciò che accade nel "punto critico" in cui la superconduttività vacilla. Il suo lavoro, però, ha ispirato il giovane fisico teorico Adrian Del Maestro, uno studente laureato ad Harvard all'epoca, sviluppare una teoria critica completa della transizione di fase quantistica.

Nella teoria della "rottura della coppia" di Del Maestro, è improbabile che i singoli elettroni si scontrino con i bordi del filo più piccolo poiché anche un singolo filamento di atomi è grande rispetto alle dimensioni di un elettrone. Ma, disse Del Maestro, "due elettroni che formano le coppie responsabili della superconduttività possono essere molto distanti e ora la dimensione su scala nanometrica del filo rende più difficile per loro viaggiare insieme". Quindi aggiungi un potente campo magnetico, che districa le coppie curvandone il cammino, e "gli elettroni non sono in grado di cospirare per formare lo stato superconduttore, " disse Del Maestro.

"Immagina che i bordi del filo e il campo magnetico agiscano come una forza di attrito che fa sì che gli elettroni non vogliano accoppiarsi così tanto, " disse Del Maestro. "Che la fisica dovrebbe essere universale." Che è esattamente ciò che mostrano la sua teoria e il nuovo esperimento.

"Solo alcuni ingredienti chiave - dimensione spaziale ed esistenza della superconduttività - sono essenziali quando si descrivono le proprietà emergenti degli elettroni nelle transizioni di fase quantistiche, " ha detto. L'incredibile accordo tra i valori di conducibilità previsti dalla teoria di Del Maestro oltre un decennio fa e i valori misurati nel nuovo esperimento stabilisce un potente standard per "la conferma sperimentale dell'universalità quantistica, "Del Maestro ha detto "e sottolinea l'importanza della ricerca fisica fondamentale".

Nanofili all'avanguardia

Per testare la teoria di Del Maestro, Rogachev aveva bisogno di nanofili quasi unidimensionali, con diametri inferiori a 20-30 nanometri.

"Nella fisica teorica, i sistemi unidimensionali svolgono un ruolo molto speciale, poiché per loro si può sviluppare una teoria esatta" ha detto Rogachev. "Tuttavia i sistemi unidimensionali sono notoriamente difficili da trattare sperimentalmente".

I nanofili MoGe sono l'elemento cruciale dell'intero studio. Nei suoi giorni post-dottorato, Rogachev poteva realizzare cavi del genere lunghi solo 100 nanometri, troppo breve per testare il regime critico. Anni dopo all'U, lui e il suo allora studente Hyunjeong Kim, autore principale dello studio, migliorato su un metodo esistente di litografia a fascio di elettroni per sviluppare una tecnica all'avanguardia.

Il novantanove percento dei fisici crea nanostrutture usando un metodo chiamato litografia a fascio di elettroni positivi (e-beam). Fanno brillare un fascio di elettroni su una pellicola sensibile agli elettroni, quindi rimuovere la parte esposta del film per creare le strutture necessarie. Molti meno fisici usano la litografia a fascio elettronico negativo, in cui disegnano la loro struttura con l'e-beam ma rimuovono tutta la pellicola non esposta. Questo è il metodo che Kim ha acquistato allo stato dell'arte, fabbricazione di nanofili sottili con larghezze inferiori a 10 nm.

"Non è solo che li facciamo, ma possiamo misurarli, " ha detto Rogachev. "Molte persone producono particelle davvero piccole, ma per poter davvero guardare il trasporto su questi fili, è stato come sviluppare una nuova tecnica".

Per testare le transizioni di fase quantistiche, Rogachev ha portato i fili a Benjamin Sacépé e Frédéric Gay all'Institut Néel di Grenoble, dove la loro struttura è in grado di raffreddare il materiale a 50 milliKelvin, applicando un campo magnetico di varie intensità e misurando la resistenza dei fili per descrivere come si rompe la superconduttività. I collaboratori francesi hanno aggiunto al gruppo anni di esperienza nella misurazione precisa dei trasporti, tecniche di reiezione del rumore e fisica quantistica dei superconduttori bidimensionali.

"Dopo decenni di intense ricerche, siamo ancora lontani dal comprendere appieno la superconduttività", afferma Tomasz Durakiewicz, direttore del programma per la fisica della materia condensata presso la National Science Foundation, che co-finanzia questo lavoro. "Questi risultati fanno avanzare significativamente il campo collegando strettamente il tangibile, universo fisico dei nanofili e le transizioni di fase guidate dal campo che si verificano su scala quantistica. Unendo teoria ed esperimento, il team è stato in grado di spiegare la complessa relazione tra conduttività e geometria, campi magnetici e temperatura critica, il tutto proponendo una teoria della criticità quantistica che è in ottimo accordo con le osservazioni sperimentali."

Portandolo a temperature più alte

Rogachev si sta ora preparando a testare i nanofili fatti di cuprati. I cuprati hanno una transizione di fase quantistica tra uno stato magnetico e uno stato normale, Nel punto critico, ci sono fluttuazioni quantistiche che, secondo diverse teorie, promuovere l'emergere della superconduttività. I cuprati sono spesso chiamati superconduttori ad alta temperatura perché passano allo stato superconduttore alla temperatura record di 90-155 K, un contrasto con la temperatura critica piuttosto piccola delle leghe MoGe a 3-7 K. Rogachev vuole realizzare fili di cuprati per comprendere il meccanismo microscopico della superconduttività ad alta temperatura.

Un'altra strada che vuole esplorare con i suoi collaboratori a Grenoble è la transizione di fase quantistica nei film superconduttori.

"Ora abbiamo elaborato questo determinato pezzo di fisica, possiamo passare a oggetti più complicati dove praticamente non sappiamo esattamente cosa sta succedendo, " Egli ha detto.