Per decenni, una serie di previsioni formulate dai fisici teorici è rimasta senza conferma sperimentale, nonostante i continui progressi nella strumentazione scientifica. Ora, un esperimento di fisica quantistica condotto in Danimarca ha portato a una scoperta storica, che molti ritenevano improbabile. Una pubblicazione apparsa su una prestigiosa rivista scientifica ha portato alla luce un metodo innovativo che, lontano dal seguire il percorso abituale, ha permesso di accedere a un fenomeno quantistico quasi impossibile da osservare. La scoperta apre nuove strade nell’esplorazione degli stati esotici della materia.
Qual è la scoperta storica che la scienza attende da 65 anni?
Nel 1964, i fisici Caroli, de Gennes e Matricon teorizzarono l’esistenza di speciali stati quantistici che avrebbero dovuto emergere all’interno dei vortici di alcuni materiali superconduttori.
Quella previsione, sebbene fondata, rimase senza una dimostrazione diretta. La sfida risiedeva nella difficoltà di distinguere questi stati a fronte dei limiti sperimentali del momento, una barriera che è rimasta in piedi per oltre sei decenni.
L’ostacolo non era teorico, ma tecnico. Le condizioni necessarie per osservare direttamente i cosiddetti stati CdGM richiedevano una precisione energetica che la tecnologia convenzionale non era in grado di raggiungere.
Ora, i ricercatori dell’Istituto Niels Bohr hanno trovato un approccio diverso, che permette di studiare questo fenomeno quantistico senza bisogno di rilevarlo nella sua forma originale. La scoperta storica non è arrivata per via diretta, ma attraverso una ricreazione controllata dello scenario in cui appare.
Cosa sono gli stati CdGM e perché erano invisibili?
Gli stati di Caroli-de Gennes-Matricon (CdGM) si verificano nel nucleo dei vortici quantistici all’interno dei superconduttori di tipo II. In questo ambiente, dove il materiale perde temporaneamente la sua capacità superconduttiva, il comportamento delle particelle obbedisce a regole diverse da quelle usuali.
Questi stati riflettono il modo in cui gli elettroni si organizzano in situazioni di simmetria rotta e confinamento estremo.
Il principale ostacolo alla loro rilevazione era la dimensione della separazione energetica tra questi stati, una frazione infinitesimale rispetto alle scale standard degli strumenti attuali.
Secondo l’articolo pubblicato su Physical Review Letters, la separazione è dell’ordine di Δ/EF, una grandezza che può arrivare a un decimillesimo. Ciò rende la loro osservazione un compito praticamente impossibile all’interno dei materiali metallici convenzionali.
Vortici artificiali: l’asso nella manica dei scienziati di questo studio
Di fronte alla difficoltà di osservare i vortici reali, il team dell’Istituto Niels Bohr ha optato per una strategia diversa. Invece di cercare il fenomeno nel suo ambiente naturale, hanno costruito una struttura artificiale che riproduce le condizioni necessarie per la comparsa degli stati quantistici attesi.
A tal fine, hanno utilizzato nanocavi di arseniuro di indio (InAs) ricoperti da uno strato di alluminio, creando un involucro superconduttore-semiconduttore di forma cilindrica.
Applicando un campo magnetico assiale a questa struttura, sono riusciti a indurre una deformazione controllata nella fase superconduttiva. Questo effetto simula la comparsa di un vortice artificiale, consentendo l’emergere di analoghi degli stati CdGM. In termini tecnici, sono state generate singolarità di van Hove che agiscono come repliche accessibili degli stati quantistici originali.
Inoltre, questo sistema consente di regolare parametri quali lo spessore del rivestimento o l’intensità del campo magnetico, offrendo un controllo totale sull’ambiente quantistico simulato.
In questo modo, i ricercatori possono osservare e modificare il comportamento di questi stati, cosa impossibile in un superconduttore reale.
Che cos’è l’effetto Little-Parks e qual è stato il suo ruolo nell’esperimento?
Uno degli aspetti chiave dell’esperimento è la conferma del fenomeno attraverso un comportamento oscillatorio ben documentato: l’effetto Little-Parks. Scoperto nel 1962, questo effetto mostra come la temperatura critica di un superconduttore vari periodicamente quando viene applicato un flusso magnetico.
Nello studio danese è stata rilevata una struttura a lobi all’interno della breccia di energia superconduttiva del sistema, modulata dal campo magnetico. Nelle zone corrispondenti a questi lobi sono comparsi stati dispersivi che corrispondono alle previsioni sugli stati CdGM sintetici.
L’asimmetria osservata in queste formazioni rafforza ulteriormente la veridicità del modello. Secondo i ricercatori, gli spettri di conduttanza ottenuti coincidono con i calcoli teorici, confermando che non si tratta di artefatti sperimentali.
Verso nuove piattaforme quantistiche
Al di là del valore teorico della scoperta, questo storico ritrovamento ha importanti implicazioni per l’ingegneria dei materiali quantistici. La possibilità di simulare vortici e studiare gli stati che emergono in essi in un ambiente controllato rappresenta un importante passo avanti.
In particolare, questi sistemi potrebbero servire come piattaforme per simulatori quantistici ibridi, strumenti progettati per modellare sistemi fisici complessi.
Secondo il fisico Saulius Vaitiekėnas, citato in articoli divulgativi, gli stati non erano l’obiettivo iniziale dell’esperimento, ma un risultato emergente dallo studio di altre proprietà. Identificandone la natura, hanno capito che potevano rappresentare una via per sviluppare nuove strategie di controllo quantistico.
Una scoperta storica e internazionale: come hanno raggiunto l’irraggiungibile
Questo progresso non è stato il lavoro di un unico team, ma il risultato di una collaborazione internazionale che ha coinvolto ricercatori in Danimarca, Spagna e Stati Uniti.
Lo sviluppo del modello teorico è stato combinato con tecniche di nanofabbricazione come la deposizione epitassiale di alluminio e l’uso di porte di tensione per modulare il potenziale elettrostatico.
La precisione raggiunta nella progettazione e nella costruzione del sistema è stata fondamentale. Dettagli come lo spessore dell’alluminio o l’orientamento esatto del campo magnetico hanno fatto la differenza.
L’esperimento è un esempio di come la ricerca nella fisica quantistica si costruisca attraverso piccoli miglioramenti cumulativi che, nel tempo, consentono di confermare previsioni che sembravano irraggiungibili.
