Nel 2016, il fisico J.C. Séamus Davis ha scoperto uno stato sfuggente di materia quantistica nei cuprati, che sono materiali di ossido di rame intrecciati con altri atomi. Ciò ha lanciato un nuovo sottocampo nello studio dei materiali quantistici.

Ma se questo fosse un fenomeno unico nei cuprati o una proprietà universale e importante della natura rimaneva sconosciuto, fino ad ora.

Usando una versione migliorata della tecnologia del microscopio quantistico radicalmente nuova che ha sviluppato a questo scopo, Davis e il suo team hanno ora trovato lo stesso stato esotico della materia quantistica in un tipo di materiale ampiamente utilizzato e convenzionale, i dicalcogenuri dei metalli di transizione (TMD).

La loro carta, "Scoperta di uno stato d'onda di densità di coppia di Cooper in un dichalcogenide di metallo di transizione, " pubblicato il 25 giugno in Scienza . I coautori includono i borsisti post-dottorato di Cornell Xiaolong Liu e Yi Xue Chong, e Rahul Sharma, dottorato di ricerca '20, un postdoc presso l'Università del Maryland.

Le onde di densità di coppie di Cooper sono una forma di materia quantistica esotica in cui coppie di elettroni, invece di formare un convenzionale "superconduttore, "dove tutti sono nello stesso stato di movimento libero:si congelano in un cristallo a coppia di elettroni, noto anche come stato dell'onda di densità di coppia (PDW).

La scoperta che i PDW esistono in materiali standard come i TMD è entusiasmante, Davis ha detto, perché forniscono una ricca piattaforma per la scoperta di nuovi stati della materia quantistica e per lo sviluppo di nuove tecnologie.

"Lo studio dei materiali TMD è recentemente diventato uno degli argomenti più scottanti nella fisica della materia condensata, " ha detto Davis, il James Gilbert White Distinguished Professor Emeritus di fisica nel College of Arts and Sciences (A&S), che detiene anche cattedre presso l'Università di Oxford, in Inghilterra, e l'University College di Cork, in Irlanda. "Ci sono centinaia di questi materiali nel mondo e sono molto usati nella tecnologia o nella ricerca, compreso da diversi gruppi a Cornell."

Davis ha battuto il suo stesso record di risoluzione spaziale con il microscopio a effetto tunnel Josephson a scansione che ha inventato, migliorandolo in questo studio di un fattore di circa 100 (da nanometri fino a circa 10 picometri). Ha anche aumentato l'efficienza dell'imaging di un fattore di circa 250, riducendo i tempi di acquisizione delle immagini dell'array di giunzione Josephson da un mese a poche ore.

Poiché il microscopio è estremamente sensibile alle vibrazioni e al rumore acustico e meccanico ed è quindi progettato per funzionare senza esseri umani in laboratorio, Davis ha affermato che la pandemia ha avuto un impatto minimo sul suo utilizzo per la ricerca.

"Se tutti i preparativi sono fatti correttamente, premi il pulsante e il microscopio fa il suo lavoro in modo molto silenzioso senza nessuno in laboratorio. Il microscopio memorizza l'immagine e ti avvisa quando ha finito, " ha detto Davis. "Ogni singolo esperimento è di circa 10 giorni, anche se l'intera campagna sperimentale richiede anni."

La scoperta di TMD sarà una manna per i molti fisici della Cornell che fanno ricerche rivoluzionarie sui materiali quantistici, Davis ha detto, "compresi teorici come Eun-Ah Kim [professore di fisica in A&S], le cui teorie su questo stato esotico della materia possono ora essere sottoposte a prove sperimentali".

Il lavoro è stato finanziato dalla Gordon and Betty Moore Foundation, che secondo Davis ha anche finanziato lo sviluppo del microscopio a effetto tunnel Josephson a scansione quando nessun altro lo avrebbe fatto.

"Si credeva che un simile microscopio fosse estremamente difficile se non impossibile da implementare, " ha detto Davis, "ma la Moore Foundation si è presa il rischio. A loro va il merito di questa nuova tecnologia di visualizzazione della materia quantistica".