Superconduttività: scoperto un raro stato elettronico che la produce a livello atomico

Un team di fisici dell’Università di Amburgo ha compiuto una scoperta nel campo della fisica quantistica, osservando un raro stato della materia che era stato previsto dai teorici giapponesi più di mezzo secolo fa. La notizia è stata pubblicata su Nature.

Stato di Machida-Shibata

Lo stato, noto come stato Machida-Shibata, comporta l’accoppiamento degli elettroni in un atomo artificiale sulla superficie di un superconduttore. La scoperta, pubblicata sulla rivista Nature, potrebbe avere implicazioni per lo sviluppo di dispositivi elettronici nanostrutturati e computer quantistici.

Gli elettroni sono particelle cariche negativamente che di solito si respingono a vicenda. Questo influenza le proprietà di molti materiali, come la loro resistenza elettrica. Tuttavia, in determinate condizioni, gli elettroni possono formare coppie e comportarsi come bosoni, ossia particelle che possono occupare lo stesso spazio o avere lo stesso moto.

Quando ciò accade, il materiale può mostrare superconduttività, il che significa che può condurre elettricità senza alcuna resistenza. La superconduttività ha molte applicazioni importanti nella tecnologia, come la risonanza magnetica o i rilevatori altamente sensibili di campi magnetici.

La superconduttività nella più piccola unità possibile

I ricercatori dell’Università di Amburgo sono riusciti a indurre la superconduttività nell’unità più piccola possibile: un punto quantico, ovvero un atomo artificiale in grado di intrappolare gli elettroni in uno spazio minuscolo. Lo hanno fatto creando punti quantici da atomi di argento e accoppiandoli a un superconduttore fatto di piombo. Regolando il numero di elettroni nei punti quantici, hanno potuto osservare la formazione di coppie di elettroni e misurarne lo spettro energetico.

I risultati sperimentali corrispondevano alle previsioni teoriche fatte da Kazushige Machida e Fumiaki Shibata all’inizio degli anni Settanta. Essi proposero che le coppie di elettroni nei punti quantici accoppiati ai superconduttori avrebbero avuto uno stato speciale con un picco di energia molto basso. Questo stato non era mai stato rilevato direttamente prima, nonostante la sua importanza per la comprensione dei fenomeni quantistici su scala nanometrica.

I ricercatori hanno anche scoperto che lo stato Machida-Shibata potrebbe essere utile per ridurre il rumore nei qubit transmon, che sono componenti essenziali dei moderni computer quantistici. Ciò è stato confermato da un recente lavoro di ricercatori olandesi e danesi.

In un’e-mail al primo autore dell’articolo, il dottor Lucas Schneider, Kazushige Machida ha espresso la sua gratitudine per aver “scoperto” il suo vecchio articolo e averlo verificato sperimentalmente dopo 50 anni. Ha scritto: “Ho pensato a lungo che le impurità non magnetiche dei metalli di transizione producessero lo stato in-gap, ma la sua posizione è così vicina al bordo della lacuna superconduttiva che è impossibile provarne l’esistenza. Ma con il vostro ingegnoso metodo, avete finalmente verificato sperimentalmente che è vero”.