La fisica quantistica è una branca della scienza che studia il comportamento delle particelle subatomiche e i fenomeni che avvengono a livello microscopico. Recentemente, un gruppo di fisici dell’Università di Princeton ha fatto una scoperta rivoluzionaria nel campo della superconduttività, mettendo in discussione le teorie consolidate e sottolineando la necessità di nuovi approcci per comprendere la meccanica quantistica nei solidi.
I ricercatori, guidati dal professor Sanfeng Wu, hanno scoperto un cambiamento improvviso nel comportamento quantico mentre sperimentavano con un isolante spesso solo tre atomi che può essere facilmente trasformato in un superconduttore. Questa 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 direzioni potenzialmente nuove.
I fisici hanno scoperto che la cessazione improvvisa delle fluttuazioni meccaniche quantistiche mostra una serie di comportamenti e proprietà quantistiche uniche che sembrano sfuggire alle teorie consolidate. Le fluttuazioni sono cambiamenti temporanei e casuali nello stato termodinamico di un materiale che sta per subire una transizione di fase, come ad esempio il passaggio dal ghiaccio all’acqua. L’esperimento di Princeton ha indagato le fluttuazioni che si verificano in un superconduttore a temperature vicine allo zero assoluto.
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 all’altro. Ma le transizioni di fase avvengono anche a livello quantistico, a temperature che si avvicinano allo zero assoluto (-273,15 gradi Celsius), e coinvolgono la regolazione continua di qualche parametro esterno, 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 elettricità senza resistenza. I superconduttori possono accelerare il processo di trasmissione delle informazioni e costituire la base di potenti magneti utilizzati in ambito sanitario e nei trasporti.
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 erratico, urtandosi l’un l’altro in modo inefficace e spreco di energia. Ma nello stato superconduttivo, gli elettroni agiscono in concerto in modo energeticamente efficiente.
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 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.
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 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 scomparso improvvisamente quando la densità di elettroni è stata regolata appena al di sotto del valore critico in cui si verifica la transizione di fase quantistica dello stato superconduttivo. A questo valore critico di densità di elettroni, che i ricercatori chiamano punto critico quantico (QCP), le fluttuazioni quantistiche guidano la transizione di fase.
Nel campo della fisica della materia condensata, attualmente esistono 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 ciò che sta accadendo in questo caso”, ha detto Wu, “e questo è qualcosa che speriamo di affrontare in lavori futuri, sia teoricamente che sperimentalmente”.
