I fisici di Princeton hanno scoperto un brusco cambiamento nel comportamento quantistico mentre sperimentavano un isolante sottile tre atomi che può essere facilmente trasformato in un superconduttore.
La ricerca promette di migliorare la nostra comprensione della fisica quantistica dei solidi in generale e anche di spingere lo studio della fisica della materia condensata quantistica e della superconduttività in direzioni potenzialmente nuove. I risultati sono stati pubblicati sulla rivista Nature Physics in un articolo intitolato "Unconventional Superconducting Quantum Criticality in Monolayer WTe2 ."
I ricercatori, guidati da Sanfeng Wu, assistente professore di fisica all'Università di Princeton, hanno scoperto che l'improvvisa cessazione (o "morte") delle fluttuazioni della meccanica quantistica mostra una serie di comportamenti e proprietà quantistici unici che sembrano esulare dalla portata delle teorie consolidate. .
Le fluttuazioni sono cambiamenti casuali temporanei nello stato termodinamico di un materiale che è sul punto di subire una transizione di fase. Un esempio familiare di transizione di fase è lo scioglimento del ghiaccio in acqua. L'esperimento di Princeton ha studiato le fluttuazioni che si verificano in un superconduttore a temperature prossime allo zero assoluto.
"Ciò che abbiamo scoperto, osservando direttamente le fluttuazioni quantistiche vicino alla transizione, era una chiara prova di una nuova transizione di fase quantistica che disobbedisce alle descrizioni teoriche standard conosciute nel campo", ha affermato Wu. "Una volta compreso questo fenomeno, riteniamo che esista una reale possibilità che emerga una nuova teoria entusiasmante."
Nel mondo fisico, le transizioni di fase si verificano quando un materiale come un liquido, un gas o un solido cambia da uno stato o forma a un altro. Ma le transizioni di fase avvengono anche a livello quantistico. Questi si verificano a temperature prossime allo zero assoluto (-273,15° Celsius) e comportano la regolazione continua di alcuni parametri esterni, come la pressione o il campo magnetico, senza aumentare la temperatura.
I ricercatori sono particolarmente interessati a come avvengono le transizioni di fase quantistica nei superconduttori, materiali che conducono l’elettricità senza resistenza. I superconduttori possono accelerare il processo di informazione e costituire la base di potenti magneti utilizzati nell'assistenza sanitaria e nei trasporti.
"Il modo in cui una fase superconduttiva può essere trasformata in un'altra fase è un'interessante area di studio", ha affermato Wu. "E da un po' siamo interessati a questo problema relativo ai materiali atomicamente sottili, puliti e monocristallini."
La superconduttività si verifica quando gli elettroni si accoppiano e fluiscono all'unisono senza resistenza e senza dissipare energia. Normalmente, gli elettroni viaggiano attraverso circuiti e fili in modo irregolare, spingendosi tra loro in un modo che alla fine è inefficiente e spreca energia. Ma nello stato superconduttore, gli elettroni agiscono di concerto in modo efficiente dal punto di vista energetico.
La superconduttività è nota dal 1911, anche se come e perché funzionasse rimase in gran parte un mistero fino al 1956, quando la meccanica quantistica iniziò a far luce sul fenomeno. Ma solo nell’ultimo decennio circa la superconduttività è stata studiata in materiali bidimensionali puliti e atomicamente sottili. Infatti, per molto tempo si è creduto che la superconduttività fosse impossibile in un mondo bidimensionale.
"Ciò è avvenuto perché, man mano che si scende nelle dimensioni inferiori, le fluttuazioni diventano così forti da 'uccidere' ogni possibilità di superconduttività", ha detto N. Phuan Ong, professore di fisica Eugene Higgins all'Università di Princeton e autore dell'articolo.
Il modo principale in cui le fluttuazioni distruggono la superconduttività bidimensionale è l'emergenza spontanea di quello che viene chiamato un vortice quantistico (plurale:vortici).
Ogni vortice assomiglia a un minuscolo vortice composto da un microscopico filo di campo magnetico intrappolato all'interno di una corrente vorticosa di elettroni. Quando il campione viene portato al di sopra di una certa temperatura, i vortici compaiono spontaneamente in coppia:vortici e antivortici. Il loro movimento rapido distrugge lo stato superconduttore.
"Un vortice è come un vortice", ha detto Ong. "Sono versioni quantistiche del vortice visto quando si svuota una vasca da bagno."
I fisici ora sanno che la superconduttività nei film ultrasottili esiste al di sotto di una certa temperatura critica nota come transizione BKT, dal nome dei fisici della materia condensata Vadim Berezinskii, John Kosterlitz e David Thouless. Questi ultimi due hanno condiviso il Premio Nobel per la fisica nel 2016 con il fisico di Princeton F. Duncan Haldane, professore di fisica della Sherman Fairchild University.
La teoria BKT è ampiamente considerata come una descrizione riuscita di come i vortici quantistici proliferano nei superconduttori bidimensionali e distruggono la superconduttività. La teoria si applica quando la transizione superconduttiva viene indotta riscaldando il campione.
La questione di come la superconduttività bidimensionale possa essere distrutta senza aumentare la temperatura è un'area di ricerca attiva nei campi della superconduttività e delle transizioni di fase. A temperature prossime allo zero assoluto, una transizione quantistica è indotta da fluttuazioni quantistiche. In questo scenario, la transizione è distinta dalla transizione BKT guidata dalla temperatura.
I ricercatori hanno iniziato con un cristallo sfuso di ditelluride di tungsteno (WTe2 ), classificato come semimetallo stratificato. I ricercatori hanno iniziato convertendo il ditelluride di tungsteno in un materiale bidimensionale esfoliando o staccando sempre più il materiale fino a ridurlo a un unico strato sottile come un atomo.
A questo livello di sottigliezza, il materiale si comporta come un isolante molto forte, il che significa che i suoi elettroni hanno un movimento limitato e quindi non possono condurre elettricità. Sorprendentemente, i ricercatori hanno scoperto che il materiale mostra una serie di nuovi comportamenti quantistici, come il passaggio dalla fase isolante a quella superconduttiva. Sono riusciti a controllare questo comportamento di commutazione costruendo un dispositivo che funziona proprio come un interruttore di "accensione e spegnimento".
Ma questo era solo il primo passo. I ricercatori hanno poi sottoposto il materiale a due importanti condizioni. La prima cosa che hanno fatto è stata raffreddare il ditelluride di tungsteno a temperature eccezionalmente basse, circa 50 milliKelvin (mK).
Cinquanta milliKelvin corrispondono a -273,10° Celsius (o -459,58° Fahrenheit), una temperatura incredibilmente bassa alla quale prevalgono gli effetti della meccanica quantistica.
I ricercatori hanno poi convertito il materiale da isolante in superconduttore introducendo alcuni elettroni extra nel materiale. Non è necessaria molta tensione per raggiungere lo stato superconduttore. "Solo una piccola quantità di tensione di gate può trasformare il materiale da isolante a superconduttore", ha affermato Tiancheng Song, ricercatore post-dottorato in fisica e autore principale dell'articolo. "Questo è davvero un effetto notevole."
I ricercatori hanno scoperto che potevano controllare con precisione le proprietà della superconduttività regolando la densità degli elettroni nel materiale tramite la tensione di gate. A una densità elettronica critica, i vortici quantistici proliferano rapidamente e distruggono la superconduttività, provocando la transizione di fase quantistica.
Per rilevare la presenza di questi vortici quantistici, i ricercatori hanno creato un minuscolo gradiente di temperatura sul campione, rendendo un lato del ditelluride di tungsteno leggermente più caldo dell’altro. "I vortici cercano il confine più fresco", ha detto Ong. "Nel gradiente di temperatura, tutti i vortici del campione si spostano verso la parte più fredda, quindi quello che hai creato è un fiume di vortici che scorre dalla parte più calda a quella più fredda."
Il flusso di vortici genera un segnale di tensione rilevabile in un superconduttore. Ciò è dovuto a un effetto che prende il nome dal fisico premio Nobel Brian Josephson, la cui teoria prevede che ogni volta che un flusso di vortici attraversa una linea tracciata tra due contatti elettrici, generano una debole tensione trasversale, che può essere rilevata da un nano-volt. metro.
"Possiamo verificare che si tratta dell'effetto Josephson; se si inverte il campo magnetico, la tensione rilevata si inverte", ha affermato Ong.
"Questa è una firma molto specifica di una corrente di vortice", ha aggiunto Wu. "Il rilevamento diretto di questi vortici in movimento ci fornisce uno strumento sperimentale per misurare le fluttuazioni quantistiche nel campione, cosa che altrimenti sarebbe difficile da ottenere."
Una volta che gli autori sono riusciti a misurare queste fluttuazioni quantistiche, hanno scoperto una serie di fenomeni inaspettati. La prima sorpresa è stata la notevole robustezza dei vortici. L'esperimento ha dimostrato che questi vortici persistono a temperature e campi magnetici molto più elevati del previsto. Sopravvivono a temperature e campi ben al di sopra della fase superconduttiva, nella fase resistiva del materiale.
Una seconda grande sorpresa è che il segnale del vortice è improvvisamente scomparso quando la densità elettronica è stata regolata appena al di sotto del valore critico al quale avviene la transizione di fase quantistica dello stato superconduttore. A questo valore critico della densità elettronica, che i ricercatori chiamano punto critico quantistico (QCP) che rappresenta un punto a temperatura zero in un diagramma di fase, le fluttuazioni quantistiche guidano la transizione di fase.
"Ci aspettavamo di vedere forti fluttuazioni persistere al di sotto della densità elettronica critica sul lato non superconduttore, proprio come le forti fluttuazioni osservate ben al di sopra della temperatura di transizione BKT", ha affermato Wu.
"Tuttavia, quello che abbiamo scoperto è che i segnali del vortice svaniscono 'improvvisamente' nel momento in cui viene superata la densità elettronica critica. E questo è stato uno shock. Non possiamo spiegare affatto questa osservazione:la 'morte improvvisa' delle fluttuazioni."
Ong ha aggiunto:"In altre parole, abbiamo scoperto un nuovo tipo di punto critico quantistico, ma non lo comprendiamo."
Nel campo della fisica della materia condensata esistono attualmente due teorie consolidate che spiegano le transizioni di fase di un superconduttore, la teoria di Ginzburg-Landau e la teoria BKT. Tuttavia, i ricercatori hanno scoperto che nessuna di queste teorie spiega i fenomeni osservati.
"Abbiamo bisogno di una nuova teoria per descrivere cosa sta succedendo in questo caso", ha detto Wu, "ed è qualcosa che speriamo di affrontare nei lavori futuri, sia teoricamente che sperimentalmente."
Ulteriori informazioni: Tiancheng Song et al, Criticità quantistica superconduttiva non convenzionale nel monostrato WTe2 , Fisica della natura (2024). DOI:10.1038/s41567-023-02291-1
Informazioni sul giornale: Fisica della Natura
Fornito dall'Università di Princeton
