I superconduttori incuriosiscono i fisici da decenni. Ma questi materiali, che consentono un flusso di elettroni perfetto e senza perdite, di solito mostrano questa peculiarità quantomeccanica solo a temperature così basse - pochi gradi sopra lo zero assoluto - da renderli poco pratici.
Un gruppo di ricerca guidato dal professore di fisica e fisica applicata di Harvard Philip Kim ha dimostrato una nuova strategia per creare e manipolare una classe ampiamente studiata di superconduttori a temperatura più elevata chiamati cuprati, aprendo la strada alla progettazione di nuove e insolite forme di superconduttività in materiali precedentemente irraggiungibili. .
Utilizzando un metodo esclusivo di fabbricazione di dispositivi a bassa temperatura, Kim e il suo team riferiscono sulla rivista Science un candidato promettente per il primo diodo superconduttore ad alta temperatura al mondo, essenzialmente un interruttore che fa fluire la corrente in una direzione, realizzato con sottili cristalli di cuprato.
Un dispositivo del genere potrebbe teoricamente alimentare industrie nascenti come l'informatica quantistica, che si basa su fenomeni meccanici fugaci e difficili da sostenere.
"I diodi superconduttori ad alta temperatura sono, infatti, possibili senza l'applicazione di campi magnetici e aprono nuove porte di indagine verso lo studio di materiali esotici", ha affermato Kim.
I cuprati sono ossidi di rame che, decenni fa, hanno sconvolto il mondo della fisica dimostrando che diventano superconduttori a temperature molto più elevate di quanto i teorici avessero ritenuto possibile, essendo "superiore" un termine relativo (il record attuale per un superconduttore cuprato è -225 Fahrenheit). Tuttavia, gestire questi materiali senza distruggere le loro fasi superconduttrici è estremamente complesso a causa delle loro intricate caratteristiche elettroniche e strutturali.
Gli esperimenti del team sono stati guidati da S. Y. Frank Zhao, ex studente della Griffin Graduate School of Arts and Sciences e ora ricercatore post-dottorato al MIT. Utilizzando un metodo di manipolazione dei cristalli criogenici e privo di aria in argon ultrapuro, Zhao ha progettato un'interfaccia pulita tra due strati estremamente sottili di ossido di cuprato bismuto stronzio calcio rame, soprannominato BSCCO ("bisco").
BSCCO è considerato un superconduttore ad "alta temperatura" perché inizia la superconduzione a circa -288 Fahrenheit (-177 C), molto fredda per gli standard pratici ma sorprendentemente alta tra i superconduttori, che in genere deve essere raffreddata a circa -400 Fahrenheit (-240 C) ).
Zhao ha prima diviso il BSCCO in due strati, ciascuno largo un millesimo di un capello umano. Quindi, a -130 F (-90 C), ha impilato i due strati con una torsione di 45 gradi, come un sandwich di gelato con wafer di traverso, mantenendo la superconduttività nella fragile interfaccia.
Il team ha scoperto che la supercorrente massima che può passare senza resistenza attraverso l'interfaccia è diversa a seconda della direzione della corrente. Fondamentalmente, il team ha anche dimostrato il controllo elettronico sullo stato quantico interfacciale invertendo questa polarità.
Questo controllo è stato ciò che ha permesso loro di realizzare un diodo superconduttore commutabile ad alta temperatura, una dimostrazione della fisica fondamentale che un giorno potrebbe essere incorporata in un pezzo di tecnologia informatica, come un bit quantistico.
"Questo è un punto di partenza per studiare le fasi topologiche, caratterizzate da stati quantistici protetti dalle imperfezioni", ha affermato Zhao.
Il team di Harvard ha lavorato con i colleghi Marcel Franz dell’Università della British Columbia e Jed Pixley della Rutgers University, i cui team avevano precedentemente eseguito calcoli teorici che prevedevano accuratamente il comportamento del superconduttore cuprato in un’ampia gamma di angoli di torsione. La riconciliazione delle osservazioni sperimentali ha richiesto anche nuovi sviluppi teorici eseguiti da Pavel A. Volkov dell'Università del Connecticut.
Nota di correzione (12/182023):i gradi Celsius sono stati aggiunti all'articolo per integrare le relative misurazioni Fahrenheit.
Ulteriori informazioni: S. Y. Frank Zhao et al, Simmetria di inversione temporale che rompe la superconduttività tra superconduttori cuprati contorti, Scienza (2023). DOI:10.1126/science.abl8371
Informazioni sul giornale: Scienza
Fornito dall'Università di Harvard
