Una scoperta che i fisici hanno a lungo eluso è stata rilevata in un laboratorio a Princeton. Un team di fisici ha rilevato correnti superconduttrici, il flusso di elettroni senza sprecare energia, lungo il bordo esterno di un materiale superconduttore. La scoperta è stata pubblicata nel numero del 1 maggio della rivista Scienza .

Il superconduttore che i ricercatori hanno studiato è anche un semimetallo topologico, un materiale dotato di proprietà elettroniche insolite. La scoperta suggerisce modi per sbloccare una nuova era di "superconduttività topologica" che potrebbe avere valore per l'informatica quantistica.

"Per quello che ci risulta, questa è la prima osservazione di una supercorrente di bordo in qualsiasi superconduttore, " ha detto Nai Phuan Ong, Eugene Higgins Professor of Physics di Princeton e autore senior dello studio.

"La nostra domanda motivante era, Cosa succede quando l'interno del materiale non è un isolante ma un superconduttore?" ha detto Ong. "Quali nuove caratteristiche sorgono quando la superconduttività si verifica in un materiale topologico?"

Sebbene i superconduttori convenzionali godano già di un uso diffuso nella risonanza magnetica (MRI) e nelle linee di trasmissione a lunga distanza, nuovi tipi di superconduttività potrebbero liberare la capacità di andare oltre i limiti delle nostre tecnologie familiari.

I ricercatori a Princeton e altrove hanno esplorato le connessioni tra la superconduttività e gli isolanti topologici, materiali i cui comportamenti elettronici non conformisti sono stati oggetto del Premio Nobel 2016 per la fisica per F. Duncan Haldane, Professore di fisica della Sherman Fairchild University di Princeton.

Gli isolanti topologici sono cristalli che hanno un interno isolante e una superficie conduttiva, come un brownie avvolto in carta stagnola. Nella conduzione dei materiali, gli elettroni possono saltare da un atomo all'altro, permettendo alla corrente elettrica di fluire. Gli isolanti sono materiali in cui gli elettroni sono bloccati e non possono muoversi. Eppure curiosamente, gli isolanti topologici consentono il movimento degli elettroni sulla loro superficie ma non al loro interno.

Per esplorare la superconduttività nei materiali topologici, i ricercatori si sono rivolti a un materiale cristallino chiamato ditelluride di molibdeno, che ha proprietà topologiche ed è anche un superconduttore una volta che la temperatura scende al di sotto di un gelido 100 milliKelvin, che è -459 gradi Fahrenheit.

"La maggior parte degli esperimenti fatti finora ha coinvolto il tentativo di "iniettare" la superconduttività nei materiali topologici mettendo un materiale in stretta vicinanza all'altro, "ha detto Stephan Kim, uno studente laureato in ingegneria elettrica, che ha condotto molti degli esperimenti. "Ciò che è diverso nella nostra misurazione è che non abbiamo iniettato la superconduttività e tuttavia siamo stati in grado di mostrare le firme degli stati limite".

Il team ha prima coltivato i cristalli in laboratorio e poi li ha raffreddati a una temperatura in cui si verifica la superconduttività. Hanno quindi applicato un debole campo magnetico mentre misuravano il flusso di corrente attraverso il cristallo. Hanno osservato che una quantità chiamata corrente critica mostra oscillazioni, che appaiono come uno schema a dente di sega, all'aumentare del campo magnetico.

Sia l'altezza delle oscillazioni che la frequenza delle oscillazioni si adattano alle previsioni di come queste fluttuazioni derivino dal comportamento quantistico degli elettroni confinati ai bordi dei materiali.

I ricercatori sanno da tempo che la superconduttività si verifica quando gli elettroni, che normalmente si muovono in modo casuale, legarsi a due per formare coppie Cooper, che in un certo senso ballano allo stesso ritmo. "Un'analogia approssimativa è un miliardo di coppie che eseguono la stessa coreografia di danza strettamente sceneggiata, " ha detto Ong.

Il copione seguito dagli elettroni è chiamato funzione d'onda del superconduttore, che può essere considerato approssimativamente come un nastro teso lungo la lunghezza del filo superconduttore, ha detto Ong. Una leggera torsione della funzione d'onda costringe tutte le coppie di Cooper in un lungo filo a muoversi con la stessa velocità di un "superfluido" - in altre parole che agisce come una singola raccolta piuttosto che come singole particelle - che scorre senza produrre riscaldamento.

Se non ci sono torsioni lungo il nastro, Ong ha detto, tutte le coppie Cooper sono stazionarie e non scorre corrente. Se i ricercatori espongono il superconduttore a un debole campo magnetico, questo aggiunge un ulteriore contributo alla torsione che i ricercatori chiamano flusso magnetico, quale, per particelle molto piccole come gli elettroni, segue le regole della meccanica quantistica.

I ricercatori hanno anticipato che questi due contributori al numero di colpi di scena, la velocità del superfluido e il flusso magnetico, lavorare insieme per mantenere il numero di colpi di scena come un intero esatto, un numero intero come 2, 3 o 4 anziché un 3.2 o un 3.7. Hanno predetto che quando il flusso magnetico aumenta gradualmente, la velocità del superfluido aumenterebbe a dente di sega mentre la velocità del superfluido si regola per annullare lo 0,2 in più o aggiungere 0,3 per ottenere un numero esatto di torsioni.

Il team ha misurato la corrente superfluida mentre variava il flusso magnetico e ha scoperto che in effetti era visibile lo schema a dente di sega.

Nel ditelluride di molibdeno e in altri cosiddetti semimetalli Weyl, questo accoppiamento Cooper di elettroni nella massa sembra indurre un accoppiamento simile sui bordi.

I ricercatori hanno notato che il motivo per cui la supercorrente di bordo rimane indipendente dalla supercorrente di massa non è attualmente ben compreso. Ong ha confrontato gli elettroni che si muovono collettivamente, detti anche condensati, a pozze di liquido.

"Dalle classiche aspettative, ci si aspetterebbe che due pozzanghere fluide che sono in contatto diretto si fondano in una, " Disse Ong. "Eppure l'esperimento mostra che i condensati di bordo rimangono distinti da quelli nella massa del cristallo".

Il team di ricerca ipotizza che il meccanismo che impedisce la miscelazione dei due condensati sia la protezione topologica ereditata dagli stati limite protetti nel ditelluride di molibdeno. Il gruppo spera di applicare la stessa tecnica sperimentale per cercare le supercorrenti di bordo in altri superconduttori non convenzionali.

"Probabilmente ce ne sono decine là fuori, " ha detto Ong.

Lo studio, "Prove di una supercorrente di bordo nel superconduttore Weyl MoTe2, "di Wudi Wang, Stefano Kim, Minhao Liu, F.A. Cevallos, Roberto. J. Cava e Nai Phuan Ong, è stato pubblicato sulla rivista Scienza il 1 maggio, 2020.