È difficile misurare le proprietà dei materiali superconduttori nei campi magnetici a temperature prossime allo zero assoluto, ma necessario per comprendere le loro proprietà quantistiche. Quanto freddo? Inferiore a 0,05 Kelvin (-272°C).

"Per molti materiali moderni (quantici), per studiare adeguatamente i minimi dettagli del loro comportamento quantomeccanico devi essere cool. Più fresco di quanto si pensasse in precedenza possibile, " disse Ruslan Prozorov, un fisico presso l'Ames Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, specializzato nello sviluppo di strumenti che misurano proprio queste cose.

Prozorov e il suo team di ricerca hanno sviluppato un metodo per misurare le proprietà magnetiche dei materiali superconduttori e magnetici che mostrano un comportamento quantistico insolito a temperature molto basse in campi magnetici elevati. Il metodo viene utilizzato per studiare il comportamento critico quantistico, meccanismi di superconduttività, frustrazione magnetica e transizioni di fase nei materiali, molti dei quali sono stati fabbricati per la prima volta presso l'Ames Laboratory.

Lo hanno fatto posizionando un risonatore a diodo tunnel, uno strumento che effettua misurazioni precise in radiofrequenza delle proprietà magnetiche, in un frigorifero a diluizione, un dispositivo criogenico in grado di raffreddare i campioni fino a un intervallo di temperatura di milli-Kelvin. Sebbene ciò fosse già stato raggiunto in precedenza, i lavori precedenti non avevano la capacità di applicare grandi campi magnetici statici, fondamentale per lo studio dei materiali quantistici.

Il gruppo di Prozorov ha lavorato per superare le difficoltà tecniche di mantenere misurazioni magnetiche ad alta risoluzione, raggiungendo allo stesso tempo temperature ultrafredde fino a 0,05 K e in campi magnetici fino a 14 tesla. Un circuito simile è già stato utilizzato in un campo magnetico molto elevato (60 T) quando il team ha eseguito gli esperimenti al Los Alamos National Lab.

"Quando abbiamo installato per la prima volta il frigorifero a diluizione, lo scherzo era che il mio laboratorio aveva le temperature più fredde dell'Iowa, " disse Prozorov, che conduce le sue ricerche dove gli inverni del Midwest non fanno ridere. "Ma non lo stavamo facendo solo per divertimento, per vedere quanto freddo potevamo andare. Molte proprietà quantistiche insolite dei materiali possono essere scoperte solo a queste temperature estremamente basse».

Il gruppo ha studiato la simmetria di accoppiamento in diversi superconduttori non convenzionali, mappato un diagramma di fase molto complesso in un sistema con comportamento critico quantistico indotto dal campo, e recentemente scoperte proprietà molto insolite di un sistema spin-ice, "nessuno dei quali sarebbe possibile senza questa configurazione, " disse Prozorov.