La superconduttività, un fenomeno che fa sembrare la fisica magia, potrebbe presto rivelare nuovi segreti grazie agli studi condotti presso JILA, un istituto congiunto del National Institute of Standards and Technology (NIST) e dell'Università del Colorado Boulder. Gli scienziati, utilizzando un simulatore quantistico, hanno osservato un comportamento delle superconduttività a lungo predetto, aprendo nuove vie per rendere tali materiali più robusti e utili. Questa ricerca potrebbe impattare settori come la quantum computing, i sensori quantistici e la scienza delle misurazioni quantistiche.
Dati Tecnici e Contesto
Il lavoro più recente condotto da JILA ha coinvolto un gas di atomi di stronzio, che, sebbene non siano superconduttori di per sé, hanno seguito le leggi della fisica quantistica. Gli scienziati hanno manipolato interazioni tra gli atomi in modo da preservare quelle responsabili della superconduttività, permettendo loro di studiare il comportamento fuori dall'equilibrio. Questo ha portato alla scoperta di una terza fase prevista da decenni, in cui la superconduttività oscilla nel tempo.
Analisi dei Dati
In un normale materiale, gli elettroni si muovono in modo incoerente, generando calore a causa degli urti costanti. La superconduttività, d'altra parte, sfrutta coppie debolmente legate di elettroni, chiamate Coppie di Cooper, che si muovono coerentemente, senza resistenza. Gli scienziati hanno studiato cosa accade quando la superconduttività viene sottoposta a un cambiamento improvviso ma non abbastanza forte da distruggere completamente le Coppie di Cooper.
Nel dettaglio: Il lavoro condotto presso JILA, un istituto congiunto del National Institute of Standards and Technology (NIST) e dell'Università del Colorado Boulder, ha utilizzato un approccio innovativo per studiare la superconduttività. Gli scienziati hanno manipolato un gas di atomi di stronzio, che, sebbene non siano superconduttori di per sé, rispondono alle leggi della fisica quantistica. Questo approccio consente loro di esplorare comportamenti della superconduttività al di fuori dell'equilibrio, un'area di ricerca tradizionalmente difficile da esplorare con materiali solidi convenzionali.
In particolare, gli scienziati hanno utilizzato un simulatore quantistico, un dispositivo che consente loro di controllare e manipolare interazioni tra gli atomi in un ambiente controllato. In questo caso, hanno creato un'ottica cavità, uno spazio con specchi altamente riflettenti agli estremi, in cui la luce laser può rimbalzare avanti e indietro milioni di volte. Questa luce mediava le interazioni tra gli atomi di stronzio, inducendoli a comportarsi in uno stato di sovrapposizione, in cui sono sia nello stato eccitato che nello stato fondamentale contemporaneamente.
Utilizzando laser, gli scienziati sono in grado di "quenchare" il sistema, cioè di introdurre un cambiamento rapido e improvviso. Misurando la luce che fuoriesce dalla cavità, possono osservare come l'energia gap, la quantità di energia necessaria per rompere le Coppie di Cooper, cambia nel tempo. Questo approccio ha permesso loro di osservare tutte e tre le fasi dinamiche della superconduttività per la prima volta.
La ricerca ha quindi fornito nuove intuizioni sulla superconduttività, dimostrando che anche quando il sistema è fuori equilibrio, l'energia gap può mantenere la superconduttività. Questo lavoro è cruciale per comprendere meglio i meccanismi alla base della superconduttività e per sviluppare materiali superconduttori più robusti e applicazioni nella quantum computing, sensori quantistici e metrologia quantistica.
Fase III e Implicazioni
La fase III, mai osservata prima d'ora, mostra un'oscillazione nel tempo della superconduttività. Gli scienziati di JILA hanno utilizzato un simulatore quantistico per studiare questo fenomeno, rivelando che l'energia gap può mantenere la superconduttività anche fuori dall'equilibrio. Questa scoperta apre la strada a superconduttori più robusti e fornisce nuove prospettive nella progettazione di tecnologie quantistiche.
Conclusioni e Riflessioni: In sintesi, la ricerca di JILA rappresenta un passo significativo nel comprendere e controllare la superconduttività. L'osservazione della fase III offre possibilità di ingegnerizzare materiali più affidabili e di migliorare la comprensione della fisica dei superconduttori. Questo lavoro ha il potenziale di rivoluzionare settori come la quantum computing e la metrologia quantistica, contribuendo allo sviluppo di tecnologie più avanzate.
Glossario
- Superconduttività: Fenomeno fisico in cui alcuni materiali conducono corrente elettrica senza resistenza quando sono raffreddati al di sotto di una certa temperatura critica.
- Simulatore Quantistico: Dispositivo utilizzato per simulare e studiare fenomeni della fisica quantistica in un ambiente controllato.
- Coppie di Cooper: Coppie di elettroni che si formano in un materiale superconduttore a basse temperature e si comportano come una singola entità con carica elettrica ridotta.
- Fase III: Terza fase prevista della superconduttività in cui il sistema oscilla nel tempo mantenendo la superconduttività.
- Energy Gap: Differenza di energia tra lo stato fondamentale e lo stato eccitato di un sistema superconduttore, che deve essere superata per rompere le Coppie di Cooper e interrompere la superconduttività.
- Metrologia Quantistica: Ramo della metrologia che si occupa di misurazioni precise e accurate basate sui principi della fisica quantistica.
- Oscillazione Temporale: Variazione nel tempo di una grandezza o di un fenomeno, come osservato nella fase III della superconduttività.
- Tecnologia Quantistica: Campo della tecnologia che sfrutta i principi della meccanica quantistica per sviluppare nuovi dispositivi e applicazioni, come la quantum computing e i sensori quantistici.
- Optical Cavity: Spazio contenente specchi altamente riflettenti dove la luce laser può rimbalzare ripetutamente, utilizzato per studiare interazioni quantistiche.
- Quantum Mosh Pit: Metafora usata per descrivere un sistema quantistico instabile e non coerente, in opposizione a un sistema coerente come la superconduttività.
- Quantum Optical Coherence: Proprietà dei sistemi quantistici in cui le diverse parti del sistema rimangono in fase tra loro, consentendo loro di esibirsi come una singola entità coerente.
Fonti: Dylan J. Young, et al. "Observing dynamical phases of BCS superconductors in a cavity QED simulator." Nature. Pubblicato online il 24 gennaio 2024. DOI: 10.1038/s41586-023-06911-x.
