I fisici dell'Ames Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti hanno eseguito con successo misurazioni di un superconduttore a base di ferro in un regime importante ma difficile da raggiungere in cui le fluttuazioni quantistiche critiche dominano la fisica. Utilizzando una nuova tecnica di rilevamento, hanno mappato accuratamente la transizione di fase quantistica, un fenomeno che si teorizza essere strettamente accoppiato alla superconduttività, nel profondo dello stato superconduttivo.

L'innovativo apparato sperimentale, chiamato magnetoscopio di vacanza di azoto (NV), è molto sensibile, praticamente non invasivo, e più precisi di quelli precedentemente utilizzati per esplorare la fisica simile nei materiali superconduttori.

"Questo è un risultato davvero affascinante nella scienza dei superconduttori:ottenere un quadro chiaro di come la transizione di fase quantistica coesiste con la superconduttività. Sembra che la fase superconduttiva protegga il comportamento critico quantistico dagli effetti del disordine. Questo è davvero notevole!" disse Prozorov, un fisico del Laboratorio Ames. "Mentre continuiamo a studiare altri materiali con questa nuova capacità, aiuterà a rispondere a importanti domande teoriche sull'origine della superconduttività non convenzionale".

Il team ha utilizzato l'oscilloscopio NV per misurare con precisione la profondità di penetrazione di Londra, che è la profondità alla quale un campo magnetico penetra in un superconduttore dalla sua superficie. Questa profondità è direttamente correlata alla massa effettiva dell'elettrone, che è la quantità influenzata dalle fluttuazioni quantistiche e segnala l'esistenza della transizione di fase quantistica. Misurando sistematicamente diverse composizioni di un composto ferro pnictide, Ba(Fe, Co) ₂ Come ₂ , cresciuto all'Ames Laboratory dal gruppo di ricerca di Paul Canfield, Il team di Prozorov potrebbe mappare la presenza della transizione di fase quantistica normalmente nascosta sotto la "cupola" di superconduttività, " quando la temperatura si avvicina allo zero assoluto.

Prozorov guida un team di scienziati nel suo laboratorio a bassa temperatura presso il Laboratorio Ames, esaminando i comportamenti intriganti dei superconduttori, e tentare di districare come i vari fenomeni quantistici influenzano le loro prestazioni. Sono specializzati nello sviluppo di tecniche sperimentali uniche di altissima precisione e sensibili per misurare l'ottica, firme magnetiche ed elettriche di questi comportamenti. L'oscilloscopio NV è stato costruito da zero presso il Laboratorio Ames dallo scienziato del personale Naufer Nusran e dallo studente laureato Kamal Joshi. È un magnetometro ottico che sfrutta lo stato quantistico di un particolare tipo di difetto atomico, chiamati centri di azoto vacante (NV), nel diamante. Nusran ha anche ideato il nuovo modo di impiegare i centri NV per misurare il campo critico inferiore che porta alla profondità di penetrazione di Londra.

"La profondità di penetrazione di Londra è uno dei parametri fondamentali che descrivono i superconduttori; sostanzialmente ti dice quanto sia robusta la superconduttività, " ha detto Prozorov. "Ho misurato questa quantità utilizzando tecniche diverse per la maggior parte della mia carriera di ricerca e il rilevamento NV rappresenta un progresso significativo nella superconduttività sperimentale".

Sette anni fa, Il laboratorio di Prozorov faceva parte di una collaborazione di ricerca internazionale che ha trovato la prima prova evidente che il punto critico quantistico (QCP) è sopravvissuto in profondità nello stato superconduttore. Il lavoro attuale, utilizzando nuovi approcci, esamina i sistemi superconduttori con una notevole quantità di disordine. Insieme, questi lavori dimostrano che la transizione di fase quantistica e le fluttuazioni critiche non solo coesistono con la superconduttività, ma può anche esserne protetto dagli effetti del disordine. I risultati sono un altro importante indizio per risolvere il mistero della superconduttività a base di ferro.

"Ancora, c'è molto altro da fare, al fine di esplorare completamente la scienza dei superconduttori non convenzionali in generale. Per quello, dovranno essere sviluppati metodi di rilevamento quantistico più nuovi e più sofisticati", ha affermato Nusran. Nuovi metodi di rilevamento quantistico in grado di sondare le fluttuazioni quantistiche su scala nanometrica consentirebbero uno sguardo più approfondito sulle fasi quantistiche concorrenti e coesistenti nei superconduttori ad alta temperatura e molti altri problemi di scienza dei materiali."Queste nuove capacità alla fine faranno luce sulle condizioni limitanti e sulla fattibilità dei superconduttori e di altri materiali quantistici per applicazioni tecnologiche".

La ricerca è ulteriormente discussa nel documento, "Transizione di fase quantistica all'interno della cupola superconduttiva di Ba(Fe _1-x Co _X ) ₂ Come ₂ dalla magnetometria ottica a base di diamante" di Kamal R. Joshi, Naufer Nusran, Makariy A. Tanatar, Kyuil Cho, Sergey L Bud'ko, Paul C Canfield, Rafael M Fernandes, Alex Levchenko e Ruslan Prozorov; e pubblicato su Nuovo Giornale di Fisica .