La scoperta della superconduttività e la sua realizzazione sperimentale sono due dei più importanti progressi in fisica e ingegneria del secolo scorso. Tuttavia, le loro caratteristiche statistiche e dinamiche devono ancora essere pienamente comprese. Un team di ricercatori del Centro di Fisica Teorica dei Sistemi Complessi, all'interno dell'Istituto per le Scienze di Base (IBS, Corea del Sud), ha modellato il comportamento energetico di reti caotiche di elementi superconduttori (grani), separati da giunzioni non superconduttrici, e scoperto alcune proprietà statistiche inaspettate a lungo, ma comunque scale temporali finite. I loro risultati sono pubblicati in Lettere di revisione fisica .

Una serie di scoperte pionieristiche nella meccanica statistica sono nate dal mettere in discussione l'applicabilità dei concetti astratti fondamentali ai sistemi fisici e ai dispositivi sperimentali. Un esempio notevole è l'ipotesi ergodica, che presuppone che nel tempo, un sistema visita quasi ogni microstato disponibile dello spazio delle fasi, e che la media temporale infinita di qualsiasi quantità misurabile del sistema coincide con la sua media nello spazio delle fasi. In breve, questo è il motivo per cui il ghiaccio si scioglie in una pentola d'acqua. E lo farà più velocemente se l'acqua è più calda. Gli scienziati hanno cercato modi per verificare la validità o il fallimento dell'ipotesi ergodica basata su misurazioni a tempo finito.

Guidati da Sergej Flach, i ricercatori dell'IBS hanno sviluppato un metodo efficiente per estrarre stime precise delle scale temporali per l'ergodicità (tempo di ergodizzazione coniato). Questo metodo è stato quindi applicato con successo a reti classiche di grani superconduttori debolmente accoppiati da giunzioni Josephson.

Il team ha scoperto che in queste reti, la scala dei tempi di ergodizzazione diventa rapidamente enorme, anche se rimane finito, all'aumentare della temperatura dell'impianto. Anziché, i tempi necessari allo sviluppo della caoticità rimangono praticamente invariati rispetto a quello dell'ergodizzazione. Questo è molto sorprendente, come l'ergodicità è indissolubilmente legata al caos, e le rispettive tempistiche devono essere anch'esse strettamente correlate. Per quanto riguarda il ghiaccio, significa che più l'acqua diventa calda, più tempo impiegano i cubetti di ghiaccio a sciogliersi. I ricercatori dell'IBS hanno dimostrato numericamente che fluttuazioni di temperatura più elevate ostacolano fortemente il loro stesso percorso attraverso il sistema. Così, un processo sempre più lento ritarda drasticamente l'ergodizzazione del sistema. Il team ha etichettato questa scoperta come "vetro dinamico".

"Al crescere della temperatura, i nostri studi hanno svelato l'emergere di macchie caotiche vaganti tra regioni ghiacciate e apparentemente inerti. Il nome di vetro dinamico deriva proprio da questa frammentazione, poiché la parola "dinamico" suggerisce il rapido sviluppo del caos, mentre la parola "vetro" indica fenomeni che richiedono una scala temporale estremamente lunga ma finita per verificarsi, " spiega Carlo Danieli, un membro della squadra.

La comprensione del meccanismo e delle scale temporali necessarie per lo sviluppo dell'ergodicità e della caoticità è al centro di un enorme numero di recenti progressi nella fisica della materia condensata. Il team si aspetta che questo apra la strada alla valutazione di diversi problemi irrisolti in molti sistemi corporei, dalla conducibilità termica anomala alla termalizzazione.

I ricercatori si aspettano anche che il vetro dinamico osservato sia una proprietà generica delle reti di grani superconduttori tramite l'accoppiamento Josephson, indipendentemente dalla loro dimensionalità spaziale. Per di più, si ipotizza che un ampio insieme di sistemi a molti corpi debolmente non integrabili si trasformi in vetri dinamici quando si avvicinano a regimi di temperatura specifici. Un compito altrettanto affascinante e stimolante è l'aspirazione del team di dimostrare l'esistenza di un vetro dinamico nei sistemi quantistici a molti corpi, e stabilire la sua connessione con i fenomeni di localizzazione a molti corpi.

Flach dice, "Ci aspettiamo che questi risultati aprano una nuova sede per valutare e comprendere i fenomeni legati alla localizzazione a molti corpi e alla vetrosità in un gran numero di sistemi a molti corpi debolmente non integrabili".