L'applicazione di campi magnetici sufficientemente grandi provoca l'interruzione degli stati superconduttori nei materiali, anche a temperature drasticamente basse, trasformandoli così direttamente in isolanti, o così si pensava tradizionalmente. Ora, scienziati del Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech), l'Università di Tokyo e l'Università di Tohoku riportano curiose transizioni multistato di questi superconduttori in cui cambiano da superconduttore a metallo speciale e poi a isolante.

Caratterizzati dalla loro resistenza elettrica nulla, o in alternativa, la loro capacità di espellere completamente i campi magnetici esterni, i superconduttori hanno prospettive affascinanti sia per la fisica fondamentale che per le applicazioni, ad es. bobine superconduttrici per magneti. Questo fenomeno è compreso considerando una relazione altamente ordinata tra gli elettroni del sistema. A causa di una coerenza sull'intero sistema, gli elettroni formano coppie limitate e fluiscono senza collisioni come un collettivo, risultando in un perfetto stato di conduzione senza dissipazione di energia. Però, introducendo un campo magnetico, gli elettroni non sono più in grado di mantenere la loro relazione coerente, e la superconduttività è persa. Per una data temperatura, il campo magnetico più elevato sotto il quale un materiale rimane superconduttore è noto come campo critico.

Spesso questi punti critici sono contrassegnati da transizioni di fase. Se il cambiamento è brusco come nel caso dello scioglimento del ghiaccio, è una transizione del primo ordine. Se la transizione avviene in modo graduale e continuo attraverso la crescita di fluttuazioni guida al cambiamento che si estendono sull'intero sistema, si chiama transizione del secondo ordine. Lo studio del percorso di transizione dei superconduttori quando soggetti al campo critico può fornire informazioni sui processi quantistici coinvolti e ci consente di progettare superconduttori (SC) più intelligenti per l'applicazione a tecnologie avanzate.

interessante, i superconduttori bidimensionali (2-D SC) sono i candidati perfetti per studiare questo tipo di transizioni di fase e uno di questi nuovi candidati è uno strato monounità di NbSe ₂ . Poiché la dimensione più piccola (spessore) del superconduttore implica un numero inferiore di possibili partner per gli elettroni per formare coppie superconduttrici, la più piccola perturbazione può impostare una transizione di fase. Per di più, 2-D SC è rilevante dal punto di vista delle applicazioni nell'elettronica su piccola scala.

In tali materiali, aumentare il campo magnetico applicato oltre un valore critico porta ad uno stato fuzzy in cui il campo magnetico penetra nel materiale, ma la resistenza è ancora minima. È solo aumentando ulteriormente il campo magnetico che la superconduttività viene distrutta e il materiale diventa un normale isolante. Questa è chiamata transizione di fase da superconduttore a isolante. Poiché questo fenomeno si osserva a temperature molto basse, le fluttuazioni quantistiche nel sistema diventano paragonabili a, o anche più grande di, le classiche fluttuazioni termiche. Perciò, questo è chiamato una transizione di fase quantistica.

Per comprendere il percorso della transizione di fase e lo stato fuzzy o misto che esiste tra le intensità di campo critiche nel NbSe ₂ superconduttore ultrasottile, un gruppo di ricercatori ha misurato la magnetoresistenza del materiale (vedi Fig. 1), o la risposta della resistività di un SC quando sottoposto a un campo magnetico esterno. Il professor Ichinokura ha detto:"Utilizzando una sonda a quattro punti, abbiamo stimato il campo magnetico critico ai rispettivi confini di fase quantistica nel NbSe . monostrato ₂ ." (vedi Fig. 2)

Hanno scoperto che quando un piccolo campo magnetico viene applicato all'SC, il flusso coerente di elettroni è interrotto, ma le coppie di elettroni rimangono. Ciò è dovuto al movimento dei vortici; i vortici in movimento creano una resistenza finita. L'origine di questa resistenza minima è stata interpretata come il materiale che entra in uno stato speciale di metallo Bose (BM), che si è trasformato in uno stato isolante all'aumentare ulteriormente del campo magnetico. Il team ha anche scoperto che la transizione tra gli stati normale e SC intorno alla temperatura critica è stata guidata da fluttuazioni quantistiche, riflettendo anche un simile percorso multi-transizione. Il professor Ichinokura dice, "L'analisi di scala basata sul modello del metallo Bose ha spiegato la transizione in due fasi, suggerendo l'esistenza di uno stato fondamentale bosonico."

Questo studio rafforza le affermazioni teoriche sulle transizioni multifase nei superconduttori grazie al campione più sottile di spessore su scala atomica, e spinge ulteriormente i confini della ricerca.