Le transizioni di fase in diversi stati della materia, come la condensazione dei gas in liquidi o la transizione da un normale metallo a uno stato superconduttore, possono essere descritte utilizzando la teoria della rottura della simmetria di Ginzburg-Landau. Tuttavia, tale teoria non è più valida per le transizioni di fase nel limite bidimensionale.

Le transizioni di fase bidimensionali sono guidate da difetti topologici noti come transizioni di fase Berezinskii-Kosterlitz-Thouless (BKT) (Kosterlitz e Thouless hanno ricevuto il Premio Nobel per la fisica nel 2016 per questa scoperta). I difetti topologici nei sistemi superconduttori sono chiamati vortici. Per un sistema superconduttore bidimensionale infinitamente grande a bassa temperatura, le coppie vortice-antivortice con vorticità opposta sono legate insieme e il sistema è in uno stato superconduttore stabile.

All'aumentare della temperatura, le coppie vortice-antivortice diventano instabili a causa delle fluttuazioni termiche, e l'attrazione tra vortice e antivortice all'interno delle coppie si indebolisce gradualmente fino a separarle in vortici liberi e antivortici. Questo processo porta alla transizione di fase BKT.

La prova decisiva di questa transizione è un salto nella densità del superfluido alla temperatura di transizione. Tuttavia, la dimensione caratteristica dei vortici nel limite bidimensionale è significativamente maggiore di quella nello spazio tridimensionale. Quando la dimensione del campione si avvicina alla dimensione caratteristica dei vortici (o quando il campione presenta disomogeneità), il salto nella densità del superfluido verrà cancellato. Ciò rende molto difficile determinare la transizione di fase BKT nei superconduttori bidimensionali in campioni realistici.

Superconduttori cuprati ad alta temperatura, come Bi₂ Signore₂ CaCu₂ O_8+δ (Bi2212), con una struttura a strati, sono stati ampiamente studiati come superconduttori non convenzionali. La connessione tra le correlazioni di carica e la superconduttività in questi materiali rimane un grande enigma nella fisica della materia condensata. Il monostrato Bi2212 è stato fabbricato con successo di recente. Ma le tecniche di misurazione convenzionali non hanno rilevato alcun segno della transizione di fase BKT di questo superconduttore bidimensionale.

Invece, il monostrato presenta caratteristiche molto simili a quelle dei materiali sfusi, tra cui la temperatura di transizione, lo pseudogap, l’onda di densità di carica e così via. Ciò confonde ulteriormente la relazione tra le transizioni di fase superconduttrici e la correlazione di carica in questo sistema.

Pertanto, la ricerca di prove per la transizione di fase BKT nel monostrato Bi2212 e il chiarimento delle differenze e delle connessioni tra le transizioni di fase superconduttrici attraverso la dimensionalità sono importanti per comprendere questo materiale.

Il Dipartimento di Fisica dell'Università di Fudan, in collaborazione con i gruppi di ricerca guidati dai professori Yihua Wang, Yuanbo Zhang e Yang Qi, ha utilizzato la microscopia a scansione SQUID per studiare la risposta magnetica locale del Bi2212 dai monostrati agli strati spessi attraverso la transizione di fase superconduttiva. Nei monostrati, un picco paramagnetico positivo nella magnetizzazione appare nell'intervallo di temperatura inferiore alla temperatura critica e la posizione del picco oscilla con il flusso magnetico che passa attraverso il campione in unità del quanto di flusso.

Questo fenomeno, noto come effetto Meissner paramagnetico, si verifica nello stato superconduttore esibendo l'effetto Meissner. Inoltre, hanno scoperto che l’ampiezza del picco paramagnetico aumenta con la temperatura, persistendo fino alla temperatura di transizione. Queste caratteristiche indicano una coerenza di fase stabile nella regione critica e un effetto di screening del plasma gradualmente crescente dovuto alla separazione delle coppie vortice-antivortice, coerente con la transizione di fase Berezinskii-Kosterlitz-Thouless (BKT) indotta dalle eccitazioni dei vortici.

La comparsa di picchi di suscettibilità paramagnetica nel Bi2212 multistrato e a strato spesso suggerisce che la transizione superconduttiva del Bi2212 sottodrogato è una transizione BKT generalizzata con accoppiamento interstrato. Questo risultato non solo identifica un'importante caratteristica magnetica della transizione BKT nei sistemi finiti, ma chiarisce anche la relazione omologa tra le transizioni superconduttrici del monostrato e del Bi2212 in massa, fornendo indizi per comprendere lo pseudogap nella regione sottodrogata dei superconduttori cuprati.

Questo lavoro è pubblicato sulla National Science Review sotto il titolo "Effetto Meissner paramagnetico oscillante e transizione Berezinskii-Kosterlitz-Thouless in Bi₂ sottodopato Signore₂ CaCu₂ O_8+δ ".