La scoperta della superconduttività più di un secolo fa ha cambiato in modo significativo il nostro mondo.
La storia iniziò nel 1911 quando il fisico olandese Heike Kamerlingh Onnes osservò che la resistenza elettrica del mercurio scendeva bruscamente a zero quando veniva raffreddato a una temperatura di circa 4 Kelvin (circa 269°C), un po' più fredda del punto di ebollizione del liquido. elio.
Le applicazioni pratiche di questo notevole effetto furono realizzate molto più tardi, nel 1986, quando fu scoperta una classe di superconduttori ad alta temperatura. Questi materiali ad alta temperatura hanno una temperatura critica inferiore al punto di ebollizione dell'azoto liquido, circa -196°C, il che riduce la complessità e i costi del loro funzionamento.
Oggigiorno è impossibile sopravvalutare le conseguenze benefiche della scoperta della superconduttività. Questo fenomeno entra gradualmente nella nostra vita quotidiana, anche se il ruolo unico che svolge non è immediatamente visibile.
La persistenza delle correnti elettriche nel materiale superconduttore non implica perdite di energia nei circuiti superconduttori, mettendo in funzione treni Maglev ad alta velocità che utilizzano la levitazione magnetica per ridurre quasi a zero l'attrito energetico.
Il flusso di elettricità senza resistenza apre la strada a promettenti accumulatori di energia a risposta rapida (immagazzinamento di energia magnetica superconduttiva) e funge da nucleo di dispositivi di risonanza magnetica (noti ampiamente come "MRI") che sono ampiamente utilizzati negli ospedali e nelle strutture mediche. centri di ricerca.
La superconduttività emerge come risultato della formazione di coppie di elettroni legate insieme da quanti di vibrazioni reticolari (fononi). A basse temperature, queste coppie di Cooper si condensano e formano una sovrapposizione coerente di stati, un condensato bosonico, che si muove attraverso il reticolo cristallino senza disperdersi, risultando in una resistenza elettrica pari a zero.
La condensazione delle coppie di Cooper porta anche all'espulsione dei campi magnetici dal superconduttore – un fenomeno noto come effetto Meissner – che non è spiegabile semplicemente con l'assenza di resistenza elettrica. L'avversione tra il campo magnetico e la superconduttività è un sentimento condiviso da entrambe le parti, poiché il campo magnetico distrugge lo stato superconduttore nel caso in cui quest'ultimo non riesca a respingerlo tramite l'effetto Meissner.
I campi magnetici coinvolti hanno un'intensità dell'ordine di un centinaio di Tesla per alcuni superconduttori ad alta temperatura. Al contrario, altri materiali superconduttori non possono resistere nemmeno a campi molto più deboli, con una frazione di un Tesla.
Per avere un'idea dell'intensità del campo magnetico coinvolto, un Tesla è l'intensità del campo magnetico in un normale altoparlante. Una risonanza magnetica utilizza bobine magnetiche superconduttrici che generano campi della stessa scala, fino a 2 Tesla, quando la corrente elettrica li attraversa.
Per riassumere, è noto che la superconduttività, esibita da alcuni materiali, è vulnerabile ai forti campi magnetici.
Veniamo ora alla controversa questione del lavoro pubblicato su Physical Review Letters di cui sono coautore:possiamo realizzare un superconduttore senza l'uso di alcun materiale impiegando solo un campo magnetico? Questa domanda sembra allo stesso tempo controversa e non particolarmente intelligente, considerato ciò che abbiamo appena descritto finora.
Innanzitutto, per ottenere uno stato superconduttore, abbiamo bisogno di materia, sotto forma di coppie di Rame. In secondo luogo, sembra che dobbiamo evitare di esporre questo stato a campi magnetici troppo forti, poiché questi possono distruggere il flusso superconduttore.
Il requisito dell'assenza di materiale significa che siamo incoraggiati a lavorare con "niente" come nostro... beh, "materiale". Qui “niente” significa il nulla più vuoto a cui possiamo arrivare, cioè il vuoto. Il vuoto, per definizione, non contiene materia, particelle e energia. Applicare un forte campo magnetico al vuoto sembra un'idea senza speranza, poiché il campo magnetico non ha nulla che possa influenzarlo.
Tuttavia, il vuoto non è del tutto vuoto, grazie al principio di indeterminazione di Heisenberg, pietra angolare della fisica quantistica. Il vuoto si agita con l'attività di particelle virtuali che compaiono e scompaiono per brevi istanti, formando una zuppa bollente di fluttuazioni quantistiche.
Il nostro team, utilizzando simulazioni numeriche avanzate basate sul principio primo, ha dimostrato che un campo magnetico sufficientemente forte fa sì che queste fluttuazioni quantistiche si materializzino sotto forma di un solido. Questo solido sembra essere fatto di materia simile a un vortice, con i singoli vortici approssimativamente aerodinamici lungo il campo magnetico. L'esistenza di un tale solido è stata ipotizzata alla fine degli anni '80, ma prima del nostro lavoro mancava una prova di principio primo della sua stessa esistenza.
Per aggiungere ulteriore perplessità alla nostra scoperta, ricordiamo che questo solido esotico ha anche caratteristiche specifiche di un liquido:i vortici oscillano e si muovono, come in un liquido, ma rimangono approssimativamente fissati in posizioni particolari come in un solido. Contrariamente a un tipico solido, non osserviamo in nessun momento alcuna struttura cristallina. Contrariamente a un liquido, i costituenti del vortice di questo strano materiale non scambiano le loro posizioni spaziali.
Ancora più sconcertante, i risultati della nostra analisi implicano fortemente che questo stato nato dal vuoto sia un... superconduttore. Detto questo, potremmo ricordare la parte precedente di questa storia in cui si proclamava che il campo magnetico era nemico della superconduttività. Tuttavia, quest'ultima affermazione non può più essere applicata alla nostra superconduttività, che nasce letteralmente dal nulla... dallo stesso campo magnetico.
Probabilmente, dopo aver dichiarato queste caratteristiche aliene della superconduttività del vuoto, non sorprende che questa strana sostanza solido-liquido-vortice superconduttiva - chiamiamola "sostanza" - possieda anche un'altra proprietà, la superfluidità. La superfluidità, una cugina elettricamente neutra della superconduttività, implica che la sostanza in questione contenga un componente simile a un fluido in grado di fluire senza viscosità.
Sebbene la superconduttività e la superfluidità del vuoto siano state ipotizzate da un coautore del presente studio nel 2010, la natura liquida dello stato di vortice si presenta come una sorprendente sorpresa.
In breve, lo stato scoperto è uno dei "qualcosa" più esotici mai visti. Forse perché questo "qualcosa" viene creato letteralmente dal "nulla".
Un lettore curioso potrebbe ora chiedersi ragionevolmente quale sia l’intensità del campo magnetico necessaria per produrre questa sostanza. Non è qualcosa che può essere realizzato con l’aiuto, ad esempio, di un magnete da frigo. E da quali particelle precisamente virtuali viene creata?
Per raggiungere lo stato di vuoto superconduttore, i campi magnetici devono raggiungere circa 0,74×10 20 Tesla (74 exatesla, dove un exatesla equivale all'unità seguito da 18 zeri). Questa forza è molto più forte di quella che si può trovare nel nostro magnete da frigorifero, riscontrata durante un esame alla risonanza magnetica o addirittura creata nei laboratori più avanzati sulla Terra. È molto più forte del campo all'interno delle nane bianche o anche attorno alla più potente stella di neutroni magnetizzati, le magnetar.
Per quanto riguarda il contenuto delle particelle, la superconduttività si ottiene mediante la condensazione di bosoni W caricati elettricamente. Allo stesso tempo, la superfluidità è mantenuta dal condensato coesistente di bosoni Z neutri.
A questo punto si può porre ancora un’altra domanda:se aumentassimo ulteriormente il campo magnetico, questi vortici diventerebbero più robusti e formerebbero un cristallo? La risposta è negativa. Invece, le nostre simulazioni hanno rivelato qualcosa di ancora più sorprendente che ha qualcosa a che fare con il celebre condensato di Higgs. Questo condensato è un elemento costitutivo del Modello Standard che conferisce massa a particelle come quark ed elettroni e crea l'universo intorno a noi come lo conosciamo.
Abbiamo scoperto che ad un secondo campo magnetico critico più alto, di forza 260 exatesla, la forma superconduttiva del vuoto "si scioglie" (a temperatura zero!), passando ad un altro stato in cui il condensato del campo di Higgs scompare. Questo stato di campo elevato ricorda una condizione in cui il nostro universo era più giovane di un primo picosecondo. L'ipotesi teorica della scomparsa del condensato di Higgs in un forte campo magnetico risale alla metà degli anni '70, per poi essere ritrovata nel nostro lavoro molto recentemente.
I nostri risultati non sono solo una curiosità teorica. Come ipotizzato nel 2021, campi così forti possono esistere nelle atmosfere quantistiche sopra gli orizzonti degli eventi di buchi neri esotici e altamente magnetizzati. Pertanto, lo strano stato superconduttore-superfluido-solido-liquido del vuoto potrebbe essere apparso nel corso dell'evoluzione del nostro universo o addirittura potrebbe esistere proprio in questo momento.
Tuttavia, è un'altra storia, ora astrofisica.
Questa storia fa parte di Science X Dialog, dove i ricercatori possono riportare i risultati dei loro articoli di ricerca pubblicati. Visita questa pagina per informazioni su ScienceX Dialog e su come partecipare.
Ulteriori informazioni: M. N. Chernodub et al, Struttura di fase del vuoto elettrodebole in un forte campo magnetico:i risultati del reticolo, lettere di revisione fisica (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.130.111802
Informazioni sul giornale: Lettere di revisione fisica
Maxim Chernodub è Directeur de Recherche CNRS (uno scienziato senior) presso l'Institut Denis Poisson, Tours, Francia, leader del gruppo Teoria del Campo. Gli interessi di ricerca di Chernodub includono la teoria quantistica dei campi, la fisica della materia condensata e la gravità.
