La superconduttività è stata scoperta nel 1911, ma le sue proprietà e caratteristiche non sono state ancora completamente studiate. Una nuova ricerca sui nanofili sta aiutando a capire come si perde questo fenomeno.
Il problema di mantenere le bevande fredde nella calda estate è una classica lezione di cambio di fase. Devono essere studiati, la sostanza deve essere riscaldata e devono essere osservati i cambiamenti nelle sue proprietà. Quando raggiungi il cosiddetto punto critico, aggiungi acqua o calore e osserva come la sostanza si trasforma in gas (o vapore).
Ora immagina di aver raffreddato tutto a temperature molto basse, tanto che tutti gli effetti termici sono spariti. Benvenuti nella realtà quantistica, dove la pressione e i campi magnetici non influenzano in alcun modo l'emergere di nuove fasi! Questo fenomeno è chiamato transizione di fase quantistica. A differenza di una transizione convenzionale, una transizione quantistica forma proprietà completamente nuove, come la superconduttività (in alcuni materiali).
Se applichi tensione a un metallo superconduttore, gli elettroni viaggeranno attraverso il materiale senza resistenza e la corrente elettrica scorrerà indefinitamente, senza rallentare o generare calore. Alcuni metalli diventano superconduttori ad alte temperature, il che è importante nel caso della trasmissione di potenza e dell'elaborazione dati basata su superconduttori. Gli scienziati hanno scoperto questo fenomeno 100 anni fa, ma il meccanismo stesso della superconduttività rimane un mistero, poiché la maggior parte dei materiali è troppo complessa per comprendere in dettaglio la fisica della transizione di fase quantistica. Quindi la strategia migliore in questo caso è concentrarsi sull'apprendimento di sistemi modello meno complessi.
I fisici dell'Università dello Utah hanno scoperto che i nanofili superconduttori realizzati con una lega di molibdeno-germanio subiscono transizioni di fase quantistica dal superconduttore al metallo ordinario quando posti in un normale campo magnetico a basse temperature. Questo studio ha rivelato per la prima volta il processo microscopico attraverso il quale un materiale perde la sua superconduttività: un campo magnetico rompe coppie di elettroni - coppie di Cooper che interagiscono con altre coppie dello stesso tipo - e subiscono una forza di smorzamento da elettroni spaiati nel sistema.
La ricerca è dettagliata in una teoria critica proposta da Adrian Del Maestro, assistente professore presso l'Università del Vermont. La teoria descriveva accuratamente come l'evoluzione della superconduttività dipenda dalla temperatura critica, dall'ampiezza del campo magnetico e dall'orientamento, dall'area della sezione trasversale del nanofilo e dalle caratteristiche microscopiche del materiale di cui è composto. Questa è la prima volta nel campo della superconduttività che tutti i dettagli di una transizione di fase quantistica sono previsti dalla teoria, confermati su oggetti reali in laboratorio.
"Le transizioni di fase quantistiche possono sembrare molto esotiche, ma sono osservate in molti sistemi - dai centri delle stelle ai nuclei atomici, nonché dai magneti agli isolanti", ha affermato Andrey Rogachev, assistente professore presso l'Università dello Utah e autore principale dello studio. "Una volta comprese le vibrazioni quantistiche in questo sistema più semplice, possiamo parlare di ogni dettaglio del processo microscopico e applicarlo a oggetti più complessi".
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