La 'morte improvvisa' delle fluttuazioni quantistiche sfida le attuali teorie della superconduttività.

12 gennaio 2024

Questo articolo è stato revisionato secondo il processo editoriale e le politiche di Science X. Gli editori hanno evidenziato i seguenti attributi garantendo così la credibilità dei contenuti:

• verifica dei fatti
• pubblicazione sottoposta a revisione paritaria
• fonte affidabile
• corretta bozza

a cura di Tom Garlinghouse, Princeton University

I fisici di Princeton hanno scoperto un cambiamento improvviso nel comportamento quantistico mentre sperimentavano con un isolante sottile composto da tre atomi che può essere facilmente trasformato in un superconduttore.

La ricerca promette di migliorare la nostra comprensione della fisica quantistica nei solidi in generale e di spingere lo studio della fisica della materia condensata quantistica e della superconduttività in potenziali nuove direzioni. 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, professore associato di fisica presso la Princeton University, hanno scoperto che la repentina cessazione (o "morte") delle fluttuazioni meccaniche quantistiche presenta una serie di unici comportamenti e proprietà quantistiche che sembrano situarsi al di fuori dei confini delle teorie consolidate.

Le fluttuazioni sono cambiamenti temporanei casuali nello stato termodinamico di un materiale che è sull'orlo di una transizione di fase. Un esempio familiare di transizione di fase è la fusione del ghiaccio in acqua. L'esperimento di Princeton ha studiato le fluttuazioni che si verificano in un superconduttore a temperature vicine allo zero assoluto.

"Ciò che abbiamo scoperto, analizzando direttamente le fluttuazioni quantistiche vicino alla transizione, è stata una chiara evidenza di una nuova transizione di fase quantistica che disattende le descrizioni teoriche standard conosciute nel campo", ha detto Wu. "Una volta compreso questo fenomeno, pensiamo che ci sia una reale possibilità di emergere una nuova teoria entusiasmante".

Nel mondo fisico, le transizioni di fase avvengono quando un materiale come un liquido, un gas o un solido cambia da uno stato o una forma a un altro. Ma le transizioni di fase avvengono anche a livello quantistico. Queste si verificano a temperature che si avvicinano allo zero assoluto (-273,15° Celsius) e coinvolgono 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 quantistiche 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 nei settori della sanità e dei trasporti.

"Come una fase superconduttiva può cambiarne un'altra è un'area di studio affascinante", ha detto Wu. "Siamo interessati a questo problema da un po' di tempo in materiali cristallini sottili, puliti e atomici".

La superconduttività si verifica quando gli elettroni si accoppiano e fluiscono all'unisono senza resistenza e senza dissipare energia. Normalmente, gli elettroni si muovono in maniera erratica attraverso circuiti e fili, urtandosi l'un l'altro in maniera inefficace e disperdendo energia. Ma nello stato superconduttivo, gli elettroni agiscono all'unisono in modo efficiente dal punto di vista energetico.

La superconduttività è nota dal 1911, anche se il modo in cui funziona è rimasto in gran parte un mistero fino al 1956, quando la meccanica quantistica ha iniziato a far luce sul fenomeno. Ma è solo negli ultimi dieci anni circa che la superconduttività è stata studiata in materiali bidimensionali sottili, puliti ed atomici. Infatti, per molto tempo si pensava che la superconduttività fosse impossibile in un mondo bidimensionale.

"Questo è accaduto perché, man mano che si scende in dimensioni inferiori, le fluttuazioni diventano così forti da 'uccidere' ogni possibilità di superconduttività", ha detto N. Phuan Ong, il professor Eugene Higgins di fisica presso la Princeton University e autore dell'articolo.

Il modo principale in cui le fluttuazioni distruggono la superconduttività bidimensionale è l'emersione spontanea di ciò che viene chiamato vortice quantistico (al plurale: vortici).

Ogni vortice assomiglia a un piccolo vortice composto da un filamento microscopico di campo magnetico intrappolato all'interno di una corrente di elettroni che vortica. Quando il campione viene sollevato sopra una certa temperatura, compaiono spontaneamente coppie di vortici: vortici e anti-vortici. Il loro movimento rapido distrugge lo stato superconduttivo.

"Un vortice è come un vortice d'acqua", ha detto Ong. "Sono versioni quantistiche del vortice che si vede quando si svuota una vasca da bagno".

Oggi i fisici sanno che la superconduttività nei film ultratenui esiste al di sotto di una certa temperatura critica nota come transizione BKT, che prende il nome dai 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, il professore universitario Sherman Fairchild di fisica.

La teoria BKT è ampiamente considerata come una descrizione di successo di come i vortici quantistici si proliferano nei superconduttori bidimensionali e distruggono la superconduttività. La teoria si applica quando la transizione superconduttiva è indotta dal riscaldamento del campione.

La domanda su come la superconduttività bidimensionale possa essere distrutta senza aumentare la temperatura è un'area attiva di ricerca nei campi della superconduttività e delle transizioni di fase. A temperature vicine allo zero assoluto, una transizione quantistica è indotta dalle fluttuazioni quantistiche. In questo scenario, la transizione è distinta dalla transizione BKT guidata dalla temperatura.

I ricercatori hanno iniziato con un cristallo massivo di ditellururo di tungsteno (WTe2), che viene classificato come un metallo semiconduttore strutturato a strati. I ricercatori hanno iniziato convertendo il ditellururo di tungsteno in un materiale bidimensionale esfoliando sempre più, o sbucciando, il materiale fino a uno strato di spessore atomico singolo.

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 l'elettricità. Sorprendentemente, i ricercatori hanno scoperto che il materiale presenta una serie di comportamenti quantistici nuovi, come il passaggio tra fasi isolate e superconduttive. Sono stati in grado di controllare questo comportamento di commutazione costruendo un dispositivo che funziona proprio come un interruttore 'on e off'.

Ma questo è stato solo il primo passo. I ricercatori hanno successivamente sottoposto il materiale a due condizioni importanti. La prima cosa che hanno fatto è stata raffreddare il ditellururo di tungsteno a temperature eccezionalmente basse, circa 50 milliKelvin (mK).

Cinquanta milliKelvin corrispondo a -273,10° Celsius (o -459,58° Fahrenheit), una temperatura incredibilmente bassa in cui dominano gli effetti meccanici quantistici.

I ricercatori hanno quindi convertito il materiale da un isolante a un superconduttore introducendo alcuni elettroni aggiuntivi nel materiale. Non è stata necessaria molta tensione per raggiungere lo stato superconduttivo. "Semplicemente una piccola quantità di tensione applicata può trasformare il materiale da un isolante a un superconduttore", ha detto Tiancheng Song, ricercatore postdottorato in fisica e primo autore dell'articolo. "Questo è davvero un effetto notevole".

I ricercatori hanno scoperto che potevano controllare precisamente le proprietà della superconduttività regolando la densità di elettroni nel materiale tramite la tensione di ingresso. A una densità critica di elettroni, 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 piccolo gradiente di temperatura sul campione, rendendo un lato del ditellururo di tungsteno leggermente più caldo dell'altro. "I vortici cercano il bordo più freddo", ha detto Ong. "Nel gradiente di temperatura, tutti i vortici nel 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. Questo è dovuto a un effetto chiamato come il fisico vincitore del Premio Nobel Brian Josephson, la cui teoria prevede che ogni volta che uno sciame di vortici attraversa una linea tracciata tra due contatti elettrici, generano una debole tensione trasversale, che può essere rilevata da un voltmetro nano.

"Possiamo verificare che è l'effetto Josephson; se inverti il campo magnetico, la tensione rilevata si inverte", ha detto Ong.

"Questa è una firma molto specifica di una corrente di vortice", ha aggiunto Wu. "La rilevazione diretta di questi vortici in movimento ci fornisce uno strumento sperimentale per misurare le fluttuazioni quantistiche nel campione, cosa altrimenti difficile da raggiungere".

Una volta che gli autori sono stati in grado di 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 di quanto ci si aspettasse. Sopravvivono a temperature e campi ben al di sopra della fase superconduttiva, nella fase resistiva del materiale.

Una seconda sorpresa è stata la scomparsa improvvisa del segnale dei vortici quando la densità di elettroni è stata impostata appena al di sotto del valore critico in cui si verifica la transizione di fase quantistica dello stato superconduttivo. A questo valore critico della densità degli elettroni, che i ricercatori chiamano il punto critico quantico (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 sopra la temperatura di transizione BKT", ha detto Wu.

'Yet, what we found was that the vortex signals 'suddenly' vanish the moment the critical electron density is crossed. And this was a shock. We can't explain at all this observation—the 'sudden death' of the fluctuations.'

Ong added, 'In other words, we've discovered a new type of quantum critical point, but we don't understand it.'

In the field of condensed matter physics, there are currently two established theories that explain phase transitions of a superconductor, the Ginzburg-Landau theory and the BKT theory. However, the researchers found that neither of these theories explain the observed phenomena.

'We need a new theory to describe what is going on in this case,' said Wu, 'and that's something we hope to address in future works, both theoretically and experimentally.'

Journal information: Nature Physics

Provided by Princeton University