Le transizioni di fase si verificano quando una sostanza cambia da solida, stato liquido o gassoso in uno stato diverso, come lo scioglimento del ghiaccio o la condensazione del vapore. Durante questi passaggi di fase, c'è un punto in cui il sistema può visualizzare contemporaneamente le proprietà di entrambi gli stati della materia. Un effetto simile si verifica quando i metalli normali si trasformano in superconduttori:le caratteristiche fluttuano e le proprietà che dovrebbero appartenere a uno stato si trasferiscono nell'altro.

Gli scienziati di Harvard hanno sviluppato un sistema a base di bismuto, superconduttore bidimensionale che è spesso solo un nanometro. Studiando le fluttuazioni in questo materiale ultrasottile mentre passa alla superconduttività, gli scienziati hanno acquisito informazioni sui processi che guidano la superconduttività più in generale. Poiché possono trasportare correnti elettriche con resistenza prossima allo zero, come sono migliorati, i materiali superconduttori avranno applicazioni praticamente in qualsiasi tecnologia che utilizzi l'elettricità.

Gli scienziati di Harvard hanno utilizzato la nuova tecnologia per confermare sperimentalmente una teoria dei superconduttori di 23 anni fa sviluppata dallo scienziato Valerii Vinokur del Laboratorio nazionale Argonne del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE).

Un fenomeno di interesse per gli scienziati è la completa inversione dell'effetto Hall ben studiato quando i materiali si trasformano in superconduttori. Quando un normale, il materiale non superconduttore trasporta una corrente applicata ed è soggetto a un campo magnetico, una tensione viene indotta attraverso il materiale. Questo normale effetto Hall ha la tensione che punta in una direzione specifica a seconda dell'orientamento del campo e della corrente.

interessante, quando i materiali diventano superconduttori, il segno della tensione di Hall si inverte. L'estremità "positiva" del materiale diventa quella "negativa". Questo è un fenomeno ben noto. Ma mentre l'effetto Hall è stato a lungo uno strumento importante che gli scienziati usano per studiare i tipi di proprietà elettroniche che rendono un materiale un buon superconduttore, la causa di questo effetto Hall inverso è rimasta misteriosa per gli scienziati per decenni, soprattutto per quanto riguarda i superconduttori ad alta temperatura per i quali l'effetto è più forte.

Nel 1996, il teorico Vinokur, un illustre compagno di Argonne, e i suoi colleghi hanno presentato una descrizione completa di questo effetto (e altro) nei superconduttori ad alta temperatura. La teoria ha tenuto conto di tutte le forze trainanti coinvolte, e includeva così tante variabili che testarlo sperimentalmente sembrava irrealistico, fino ad ora.

"Pensavamo di aver davvero risolto questi problemi, " disse Vinokur, "ma le formule sembravano inutili al momento, perché includevano molti parametri difficili da confrontare con gli esperimenti che utilizzavano la tecnologia che esisteva allora".

Gli scienziati sapevano che l'effetto Hall inverso risulta dai vortici magnetici che emergono nel materiale superconduttore posto nel campo magnetico. I vortici sono punti di singolarità nel liquido degli elettroni superconduttori—coppie di Cooper—attorno ai quali scorrono le coppie di Cooper, creando micro-correnti superconduttrici circolanti che apportano nuove caratteristiche nella fisica dell'effetto Hall nel materiale.

Normalmente, la distribuzione degli elettroni nel materiale provoca la tensione di Hall, ma nei superconduttori, i vortici si muovono sotto la corrente applicata, che crea differenze di pressione elettronica che sono matematicamente simili a quelle che mantengono in volo un aeroplano. Queste differenze di pressione cambiano il corso della corrente applicata come le ali di un aeroplano cambiano il corso dell'aria che passa, sollevando l'aereo. Il movimento del vortice ridistribuisce gli elettroni in modo diverso, cambiando la direzione della tensione di Hall nell'opposto della solita tensione di Hall puramente elettronica.

La teoria del 1996 descriveva quantitativamente gli effetti di questi vortici, che era stato compreso solo qualitativamente. Ora, con un nuovo materiale che ha impiegato cinque anni per sviluppare gli scienziati di Harvard, la teoria è stata testata e confermata.

Il materiale sottile a base di bismuto è praticamente spesso solo uno strato atomico, rendendolo essenzialmente bidimensionale. È unico nel suo genere, un superconduttore ad alta temperatura a film sottile; la sola produzione del materiale è una svolta tecnologica nella scienza dei superconduttori.

"Riducendo le dimensioni da tre a due, le fluttuazioni delle proprietà nel materiale diventano molto più evidenti e più facili da studiare, " ha detto Philip Kim, uno scienziato capo del gruppo di Harvard. "Abbiamo creato una forma estrema del materiale che ci ha permesso di affrontare quantitativamente la teoria del 1996".

Una previsione della teoria era che l'effetto Hall anomalo inverso potesse esistere al di fuori delle temperature alle quali il materiale è un superconduttore. Questo studio ha offerto una descrizione quantitativa dell'effetto che corrispondeva perfettamente alle previsioni teoriche.

"Prima di essere sicuri del ruolo svolto dai vortici nell'effetto Hall inverso, non potremmo usarlo in modo affidabile come strumento di misurazione, " disse Vinokur. "Ora che sappiamo di avere ragione, possiamo usare la teoria per studiare altre fluttuazioni nella fase di transizione, portando infine a una migliore comprensione dei superconduttori".

Sebbene il materiale in questo studio sia bidimensionale, gli scienziati ritengono che la teoria si applichi a tutti i superconduttori. La ricerca futura includerà uno studio più approfondito dei materiali:il comportamento dei vortici trova applicazione anche nella ricerca matematica.

I vortici sono esempi di oggetti topologici, o oggetti con proprietà geometriche uniche. Sono attualmente un argomento popolare in matematica a causa del modo in cui si formano e si deformano e di come cambiano le proprietà di un materiale. Le teorie del 1996 usavano la topologia per descrivere il comportamento dei vortici, e le proprietà topologiche della materia potrebbero portare molta nuova fisica.

"A volte scopri qualcosa di nuovo ed esotico, " ha detto Vinokur riguardo alla ricerca, "ma a volte confermi semplicemente che lo fai, Dopotutto, capire il comportamento della cosa quotidiana che è proprio di fronte a te."

Un documento che descrive i risultati dello studio, intitolato "Effetto Hall di inversione del segno in superconduttori ad alta temperatura atomicamente sottili, " è stato pubblicato il 21 giugno in Lettere di revisione fisica .