Scoperta nella superconduzione: gli scienziati scoprono il nuovo stato della materia quantistica

Di Cornell University29 agosto 2023

Gli scienziati della Cornell University hanno scoperto un nuovo stato quantistico della materia nella ditelluride di uranio, che potrebbe rivoluzionare l’informatica quantistica e la spintronica formando la piattaforma dei materiali per computer quantistici ultrastabili e rivelando nuove strade per identificare tali stati in vari materiali.

Researchers from Cornell University have identified a new state of matter in candidate topological superconductors, a discovery that may have far-reaching implications for both condensed matter physics and the fields of quantum computingPerforming computation using quantum-mechanical phenomena such as superposition and entanglement." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">informatica quantistica e spintronica.

I ricercatori del Macroscopic Quantum Matter Group della Cornell University hanno scoperto e visualizzato uno stato cristallino ma superconduttore in un nuovo e insolito superconduttore, l'uranio ditelluride (UTe2), utilizzando uno dei più potenti microscopi a tunnel Josephson a scansione millikelvin (SJTM) al mondo. Questo “cristallo con coppia di elettroni spin-tripletto” è uno stato precedentemente sconosciuto della materia quantistica topologica.

I risultati sono stati recentemente pubblicati sulla rivista Nature. Qiangqiang Gu, un ricercatore post-dottorato che lavora nel laboratorio del fisico JC Séamus Davis, professore emerito di James Gilbert White al College of Arts and Sciences, ha co-condotto la ricerca con Joe Carroll dell'University College di Cork e Shuqiu Wang dell'Università di Oxford.

I superconduttori sono topologici quando il potenziale di accoppiamento mostra una parità dispari, portando ciascuna coppia di elettroni ad adottare uno stato di tripletto di spin, con entrambi gli spin elettronici orientati nella stessa direzione. I superconduttori topologici sono oggetto di intense ricerche da parte dei fisici perché, in teoria, possono costituire la piattaforma materiale per computer quantistici ultrastabili, ha affermato Gu.

Tuttavia, anche dopo un decennio di intense indagini sulla superconduttività topologica, nessun materiale sfuso è stato definitivamente riconosciuto come superconduttore con spin tripletto e parità dispari, ad eccezione dell'He 3 superfluido, anch'esso scoperto alla Cornell. Recentemente, il nuovo materiale esotico Uranium Ditelluride (UTe2) è emerso come un candidato molto promettente per questa classificazione. Tuttavia, il suo parametro di ordine superconduttivo rimane sfuggente, ha affermato Gu.

Nel 2021, i fisici teorici hanno iniziato a proporre che UTe2 sia effettivamente in uno stato topologico di onde di densità di coppia (PDW). Nessuna forma simile di materia quantistica era mai stata rilevata.

In termini semplici, un PDW è come una danza stazionaria delle coppie di elettroni presenti in un superconduttore, ma le coppie formano schemi cristallini periodici nello spazio.

"Il nostro team alla Cornell ha scoperto il primo PDW mai osservato nel 2016 utilizzando il microscopio a effetto tunnel Josephson con punta superconduttiva che abbiamo inventato a tale scopo", ha affermato Gu. “Da allora, siamo stati pionieri negli studi SJTM a temperature millikelvin e con risoluzione energetica in microvolt. Per il progetto UTe2, abbiamo visualizzato direttamente le modulazioni spaziali del potenziale di accoppiamento superconduttore su scala atomica e abbiamo scoperto che si modulano esattamente come previsto in uno stato PDW mentre la densità delle coppie di elettroni si modula periodicamente nello spazio. Ciò che abbiamo rilevato è un nuovo stato della materia quantistica: un’onda di densità di coppia topologica composta da coppie di Cooper con spin-tripletto”.

Le onde di densità delle coppie di Cooper sono una forma di materia quantistica elettronica in cui coppie di elettroni si congelano in uno stato PDW superconduttivo, invece di formare un fluido “superconduttivo” convenzionale in cui tutti si trovano nello stesso stato di movimento libero.

"La scoperta del primo PDW nei superconduttori spin-triplet è entusiasmante", ha affermato Gu. “I composti superconduttori di fermioni pesanti a base di uranio sono una nuova ed esotica classe di materiali che forniscono una piattaforma promettente per la realizzazione della superconduttività topologica. … La nostra scoperta scientifica sottolinea anche la natura onnipresente di questo intrigante stato quantistico nei superconduttori a onda s, onda D e onda p, e fa luce su nuove strade per identificare tali stati in un ampio spettro di materiali”.