Un impulso laser a infrarossi induce la superconduttività ad alte temperature in K3C60. Dopo una prolungata eccitazione, questo stato indotto dalla luce diventa metastabile per molti nanosecondi. Credito:© Jörg Harms / MPSD
La superconduttività, la capacità di un materiale di trasmettere una corrente elettrica senza perdite, è un effetto quantistico che, nonostante anni di ricerca, è ancora limitato a temperature molto basse. Ora un team di scienziati dell'MPSD è riuscito a creare uno stato metastabile con resistenza elettrica evanescente in un solido molecolare, esponendolo a impulsi finemente sintonizzati di intensa luce laser. Questo effetto era già stato dimostrato nel 2016 da pochissimo tempo, ma in un nuovo studio gli autori dell'articolo hanno mostrato una vita molto più lunga, quasi 10.000 volte più lungo di prima. La lunga durata della superconduttività indotta dalla luce è promettente per le applicazioni nell'elettronica integrata. La ricerca di Budden et al. è stato pubblicato in Fisica della natura .
La superconduttività è uno dei fenomeni più affascinanti e misteriosi della fisica moderna. Descrive l'improvvisa perdita di resistenza elettrica in alcuni materiali quando vengono raffreddati al di sotto di una temperatura critica. Però, la necessità di tale raffreddamento limita ancora l'utilizzabilità tecnologica di questi materiali.
Negli ultimi anni, la ricerca del gruppo di Andrea Cavalleri presso l'MPSD ha rivelato che intensi impulsi di luce infrarossa sono uno strumento praticabile per indurre proprietà superconduttive in una varietà di materiali diversi a temperature molto più elevate di quanto sarebbe possibile senza fotostimolazione. Però, questi stati esotici sono durati finora solo per pochi picosecondi (trilionesimi di secondo), limitando così i metodi sperimentali per studiarli all'ottica ultraveloce.
Questa settimana è stato segnalato un progresso pionieristico. I ricercatori del gruppo Cavalleri sono ora riusciti ad aumentare la durata di un tale stato superconduttore indotto dalla luce di oltre quattro ordini di grandezza nel superconduttore organico K3C60, che è a base di fullereni (molecole 'pallone da calcio' formate da 60 atomi di carbonio). "Abbiamo scoperto uno stato di lunga durata con resistenza evanescente a una temperatura cinque volte superiore a quella alla quale si instaura la superconduttività senza fotoeccitazione, ", afferma l'autore principale Matthias Budden, uno studente di dottorato al momento della ricerca.
"L'ingrediente chiave per questo successo è stato il nostro sviluppo di un nuovo tipo di sorgente laser in grado di produrre alta intensità, impulsi di luce nel medio infrarosso con durata regolabile da circa un picosecondo a un nanosecondo, " aggiunge il coautore Thomas Gebert. Il nuovo tipo di laser si basa sulla sincronizzazione di laser a gas ad alta potenza con impulsi relativamente lunghi di nanosecondi al ritmo ultra preciso di impulsi laser a stato solido molto più brevi.
Quando impulsi così lunghi e intensi di luce infrarossa colpiscono un materiale, possono indurre vibrazioni molecolari, distorsioni reticolari e persino cambiamenti nella configurazione elettronica. Data la complessità di questi processi, non sorprende che siano state proposte diverse teorie molto diverse per descrivere la fisica della superconduttività potenziata dalla luce. Sorprendentemente, gli autori hanno scoperto nel loro nuovo lavoro che la superconduttività persisteva per decine di nanosecondi dopo la fotoeccitazione. Queste vite significativamente prolungate degli stati superconduttori hanno permesso al team di studiare sistematicamente la resistenza elettrica dei materiali. Sebbene una descrizione microscopica della superconduttività indotta dalla luce in K 3 C 60 manca ancora, questi risultati rappresentano un nuovo punto di riferimento per le teorie attuali.
"Più importante, " Matthias Budden conclude, "Il nostro lavoro apre la strada a esperimenti urgenti su un effetto Meissner fotoindotto e ispira riflessioni sulle applicazioni dei circuiti superconduttori in dispositivi integrati basati su un'elettronica ad alta velocità all'avanguardia". Tali applicazioni includono sensori di campo magnetico estremamente sensibili, calcolo quantistico ad alte prestazioni e trasmissione di potenza senza perdite. Più generalmente, grazie al nuovo approccio di combinare impulsi di eccitazione nel medio infrarosso più lunghi con misurazioni dirette delle proprietà elettroniche e magnetiche, il team di MPSD mira a migliorare il controllo e la comprensione dei numerosi fenomeni affascinanti nei materiali complessi.
