Riga superiore:tensione misurata rispetto alla corrente sotto esposizione a microonde. È evidente un modello di passaggi per la corrente continua attraverso il nanofilo pari a n volte 2ef. Grafico in basso:la conduttività differenziale (tensione CC rispetto a tensione CA) rivela lo schema dei gradini come linee orizzontali luminose corrispondenti a valori numerici interi di n. Credito:Oleg Astafiev/Skoltech
Una scoperta sperimentale di un fenomeno fisico fondamentale non è qualcosa che accade spesso. Eppure questo è ciò che i ricercatori Skoltech e i loro colleghi europei sono riusciti a fare di recente:nel loro articolo in Natura , riportano la dimostrazione sperimentale del cosiddetto effetto phase-slip quantistico AC coerente. Ha una promessa paragonabile a quella dell'effetto Josephson, che è alla base dello standard odierno dei sensori di tensione e di campo magnetico ultrasensibili.
L'effetto di slittamento di fase quantistico coerente AC si manifesta come uno schema a gradini nella corrente elettrica che scorre attraverso nanofili superconduttori esposti alle microonde. Il nanofilo funge da barriera a tunnel per i quanti di flusso magnetico, in modo simile a come un sottile strato di isolante tra due superconduttori, noto come giunzione Josephson, funge da barriera a tunnel per le cariche elettriche. (Previsto nel 1962 dallo scienziato britannico Brian Josephson e chiamato in suo onore, l'incrocio Josephson gli è valso il Premio Nobel per la fisica nel 1973.)
Dal punto di vista della fisica classica, una giunzione Josephson non è diversa da un'interruzione di circuito. Tuttavia, a causa dell'effetto tunnel meccanico quantistico, la corrente può fluire senza alcuna resistenza. Allo stesso modo, mentre la fisica classica non consente che il flusso magnetico "salti" la barriera dei nanofili, può comunque attraversarlo grazie alle leggi della fisica quantistica.
L'effetto di slittamento di fase quantistico coerente AC potrebbe avere lo stesso potenziale dell'effetto Josephson. Quest'ultimo divenne la base dei sensori di campo magnetico ultrasensibili, utilizzati, tra l'altro, per rilevare i debolissimi campi magnetici generati nel cervello. Un'altra applicazione delle giunzioni Josephson ha a che fare con il fatto che, sotto l'esposizione a microonde, la corrente che scorre attraverso la giunzione può mostrare "passi" di tensione invece di cambiare in modo regolare.
Questi cosiddetti passi Shapiro sono alla base della metrologia quantistica:lo standard odierno di 1 volt si basa su dispositivi con giunzioni Josephson piuttosto che su un accumulatore chimico di riferimento alloggiato in un ufficio di pesi e misure. Allo stesso modo, l'effetto di slittamento di fase quantistico AC coerente potrebbe essere la base per uno standard quantistico di 1 ampere. "Ciò consente una precisione senza precedenti, perché con entrambi questi effetti, la dimensione del gradino è determinata da leggi fondamentali della natura. Data la superconduttività, non dipende in alcun modo dalle condizioni esterne o dai materiali utilizzati", il ricercatore principale dello studio, il professor Oleg Astafiev di Skoltech, ha commentato.
Nel loro studio in Natura , il gruppo di ricerca di Skoltech guidato da Astafiev, che dirige anche l'Artificial Quantum Systems Lab al MIPT, riporta le osservazioni dell'effetto di slittamento di fase quantistico coerente AC, uno dei pochi effetti fisici fondamentali rimasti della superconduttività che sono stati previsti teoricamente ma non sperimentalmente realizzato. Si manifesta come passaggi Shapiro inversi o doppi nei nanofili superconduttori, i cui grafici corrente-tensione mostrano passaggi di corrente al variare della tensione. Questo è analogo ai gradini di tensione nel noto effetto Shapiro nelle giunzioni Josephson.
Previsti già negli anni '90 dai fisici sovietici Konstantin Likharev, Alexander Zorin e Dmitri Averin dell'Università statale di Mosca Lomonosov, questi passaggi attuali sono finora sfuggiti all'osservazione sperimentale. Nel recente studio, il gruppo di ricerca internazionale guidato da Astafiev ha utilizzato un nuovo approccio. Fondamentale per il successo dell'esperimento è stato il materiale del nanofilo che hanno scelto, sottili film di nitruro di niobio, nonché un design del circuito abbastanza particolare:i ricercatori hanno depositato componenti induttivi di dimensioni micron, anch'essi fatti di nitruro di niobio, accanto al nanofilo.
L'osservazione dei passi inversi di Shapiro non si limita a confermare l'esistenza di questo fenomeno fisico fondamentale. L'esperimento getta anche le basi per la creazione di nuovi dispositivi utili per la ricerca fondamentale, lo sviluppo di standard metrologici e altre applicazioni tecnologiche. + Esplora ulteriormente
