Gli scienziati del Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) affrontano il mistero ventennale del perché uno stato metallico anomalo appare nella transizione superconduttore-isolante nei superconduttori 2-D. Attraverso misure sperimentali di un effetto termoelettrico, hanno scoperto che lo stato liquido quantistico dei vortici quantistici causa lo stato metallico anomalo. I risultati chiariscono la natura della transizione e potrebbero aiutare nella progettazione di dispositivi superconduttori per computer quantistici.

Lo stato superconduttore, in cui la corrente scorre con resistenza elettrica nulla, ha affascinato i fisici sin dalla sua scoperta nel 1911. È stato ampiamente studiato non solo per le sue potenziali applicazioni, ma anche per ottenere una migliore comprensione dei fenomeni quantistici. Sebbene gli scienziati sappiano molto di più su questo stato particolare ora che nel XX secolo, sembra non esserci fine ai misteri che nascondono i superconduttori.

Un famoso, esempio tecnologicamente rilevante è la transizione superconduttore-isolatore (SIT) in materiali bidimensionali (2-D). Se si raffreddano film sottili di determinati materiali fino a una temperatura prossima allo zero assoluto e si applica un campo magnetico esterno, gli effetti delle fluttuazioni termiche sono sufficientemente soppressi in modo che fenomeni puramente quantistici (come la superconduttività) dominino macroscopicamente. Sebbene la meccanica quantistica preveda che il SIT sia una transizione diretta da uno stato all'altro, molteplici esperimenti hanno mostrato l'esistenza di uno stato metallico anomalo interposto tra le due fasi.

Finora, l'origine di questo misterioso stato intermedio è sfuggita agli scienziati per oltre due decenni. Ecco perché un team di scienziati del Dipartimento di Fisica della Tokyo Tech, Giappone, recentemente deciso di trovare una risposta alla domanda in uno studio pubblicato in Lettere di revisione fisica . Professore assistente Koichiro Ienaga, che ha condotto lo studio, spiega la loro motivazione, "Ci sono teorie che cercano di spiegare l'origine della resistenza dissipativa a temperatura zero nei superconduttori 2-D, ma non sono state effettuate dimostrazioni sperimentali definitive utilizzando misurazioni di resistenza per chiarire inequivocabilmente perché il SIT differisce dai modelli di transizione di fase quantistici previsti".

Gli scienziati hanno impiegato un film sottile amorfo di molibdeno-germanio (MoGe) raffreddato a una temperatura estremamente bassa di 0,1 K e applicato un campo magnetico esterno. Hanno misurato un effetto termoelettrico trasversale attraverso il film chiamato "effetto Nernst, " che può sondare in modo sensibile e selettivo le fluttuazioni superconduttive causate dal flusso magnetico mobile. I risultati hanno rivelato qualcosa di importante sulla natura dello stato metallico anomalo:lo "stato liquido quantistico" dei vortici quantistici causa lo stato metallico anomalo. Lo stato liquido quantistico è il stato peculiare in cui le particelle non sono congelate anche a temperatura zero a causa delle fluttuazioni quantistiche.

Più importante, gli esperimenti hanno scoperto che lo stato metallico anomalo emerge dalla criticità quantistica; la peculiare regione critica quantistica allargata a temperatura zero corrisponde allo stato metallico anomalo. Questo è in netto contrasto con il "punto" critico quantistico a temperatura zero nel SIT ordinario. Le transizioni di fase mediate da fluttuazioni puramente quantistiche (punti critici quantistici) sono stati enigmi di vecchia data in fisica, e questo studio ci avvicina di un passo alla comprensione del SIT per i superconduttori 2-D. Entusiasta dei risultati complessivi, Ienaga osserva, "Rilevare fluttuazioni superconduttive con precisione in un regime puramente quantistico, come abbiamo fatto in questo studio, apre una nuova via ai dispositivi superconduttori di nuova generazione, compresi q-bit per computer quantistici."

Ora che questo studio ha fatto luce sul vecchio mistero di due decenni della SIT, saranno necessarie ulteriori ricerche per ottenere una comprensione più precisa dei contributi dei vortici quantistici nello stato metallico anomalo. Speriamo che l'immenso potere della superconduttività sia presto a portata di mano!