La superconduttività è uno stato di perfetta conduttività elettrica esibito da alcuni materiali, chiamati superconduttori, quando raffreddati al di sotto di una temperatura critica caratteristica. Al di sotto della temperatura critica, la resistenza elettrica di un superconduttore scende esattamente a zero e può condurre una corrente elettrica senza perdite (purché la corrente non superi un valore critico). Questo fenomeno è la pietra angolare di molte tecnologie moderne come potenti magneti, rilevatori ultrasensibili di campi magnetici (SQUID) e dispositivi digitali ad alta velocità.
I singoli nanofili (fili con dimensioni dell'ordine di miliardesimi di metro) realizzati da superconduttori sono stati studiati attivamente negli ultimi due decenni. Quando i superconduttori vengono utilizzati su scale così minuscole, si possono osservare fenomeni quantistici esotici che sono assenti nei materiali sfusi. Ad esempio, si prevedeva teoricamente che i singoli nanofili subissero transizioni di fase quantistica, il cambiamento nello stato del materiale guidato dalle fluttuazioni quantistiche, non dalla temperatura. Sfortunatamente, queste previsioni sono rimaste indirette perché fino a poco tempo fa non esisteva nessuno strumento che consentisse l’osservazione diretta della superconduttività e delle transizioni di fase quantistica nei singoli nanofili.
"Nel nostro lavoro precedente, riportato l'anno scorso su Nature Communications, abbiamo sviluppato una tecnica sperimentale che utilizza le microonde per indurre e rilevare la superconduttività nei nanofili. Questa tecnica è davvero unica e ci consente per la prima volta non solo di dire se un singolo nanofilo mostra superconduttività o meno, ma anche per osservare direttamente varie caratteristiche dei nanofili superconduttori, tra cui lo stato privo di resistenza, la corrente critica, il gap energetico e così via. Ora abbiamo ulteriormente migliorato la nostra tecnica per raggiungere la sensibilità che consente l'osservazione diretta l'effetto di un campo magnetico esterno su un singolo nanofilo superconduttore", spiega Evgeny Mishchenko, ricercatore senior presso il Laboratorio di materiali e dispositivi quantistici del Centro Skoltech per la scienza e la tecnologia quantistica.
Gli scienziati hanno preso singoli nanofili realizzati in alluminio, un comune superconduttore, e hanno utilizzato la loro tecnica per applicare e rilevare simultaneamente una corrente elettrica lungo i nanofili. Hanno poi esposto i nanofili a un campo magnetico esterno e hanno osservato direttamente la comparsa e l’evoluzione dello stato privo di resistenza. Hanno rivelato l’intricata evoluzione dello stato privo di resistenza in funzione della forza del campo magnetico, che è spiegata dalla teoria.
"Abbiamo lavorato al perfezionamento di questa tecnica per quasi un decennio e sono molto entusiasta che finalmente ci permetta di esplorare e comprendere direttamente la fisica di base dietro il funzionamento dei dispositivi superconduttori su scala nanometrica", afferma Alexander Golubov, professore alla Skoltech. e il capo del Laboratorio di materiali e dispositivi quantistici.
Gli scienziati sottolineano che un ulteriore sviluppo della tecnica potrebbe aprire la strada verso la realizzazione pratica di tecnologie di calcolo quantistico e di comunicazione quantistica basate su singoli nanofili superconduttori. Ad esempio, si ritiene che la transizione di fase quantistica osservata sia molto promettente per la realizzazione dei cosiddetti fermioni di Majorana che sono considerati i candidati più validi per i qubit nell’informatica quantistica topologica.
