Superconduttività: osservato per la prima volta l'effetto CQPS

dal sito: www.lescienze.it

A cento anni esatti dalla scoperta della superconduttività è stata osservata sperimentalmente una sua conseguenza finora solo prevista per via teorica: lo slittamento quantistico di fase coerente (CQPS). Il risultato è stato raggiunto grazie a un qubit in cui la commutazione tra due stati può essere controllata con fotoni di microonde (red)

Non poteva esserci modo migliore per festeggiare il centesimo anniversario della scoperta della superconduttività: l’osservazione sperimentale dello slittamento quantistico di fase coerente (CQPS), un effetto previsto per via teorica e mai verificato sperimentalmente finora.

Sulle pagine della rivista “Nature”, Oleg Astafiev e colleghi dell’Istituto di studi avanzati RIKEN illustrano il risultato ottenuto con uno stretto tratto di un circuito di cavo superconduttore di ossido di indio.

Si tratta di un fenomeno simile all’effetto Josephson, scoperto nel 1962, secondo cui tra due superconduttori separati da uno strato di isolante si può verificare un passaggio di corrente per effetto tunnel. Quest’ultimo è uno dei fenomeni quantistici classici in cui una particella ha una probabilità non nulla di superare una barriera di potenziale anche quando non avrebbe l’energia sufficiente per farlo secondo le regole della meccanica classica.

Nel caso dell’effetto Josephson, sono gli elettroni a superare la barriera energeticamente “proibita”. Ma che cosa succederebbe in un apparato in cui superconduttori e isolanti fossero scambiati di posizione?

Secondo la teoria, si dovrebbe verificare un passaggio di quanti di flusso di campo magnetico da un isolante all’altro attraverso il superconduttore. Finora però non si era mai riusciti a osservare il fenomeno per via sperimentale. A questa mancanza hanno posto rimedio ora Astafiev e colleghi inserendo in un più ampio circuito un sottile cavo di ossido di indio (lo strato superconduttore) che così risulta inserito tra due strati di isolante (il vuoto).

Schema del qubit di Mooij–Harmans ottenuto con un sottile cavo di ossido di indio inserito in un più ampio circuito superconduttore (cortesia RIKEN)

Questo sistema realizza quello che viene chiamato qubit di Mooij–Harmans, un sistema quantistico che può assumere due stati, uno in cui la corrente superconduttrice nel circuito fluisce in senso orario e una in cui fluisce in senso antiorario, o in una sovrapposizione simmetrica dei due, descritta matematicamente dalla somma dei due stati originari. Oltre a ciò esiste un analogo di energia più alta denominata sovrapposizione antisimmetrica, ottenuta sottraendo lo stato antiorario da quello orario.

Nel loro studio, gli autori hanno preparato il qubit nella sovrapposizione di stati simmetrica e sono riusciti a commutarla in quella antisimmetrica con l’invio di fotoni di microonde. Proprio la transizione tra i due stati quantistici è accompagnata da un effetto tunnel del flusso magnetico o di slittamento di fase quantistica attraverso il nanocavo.

Orbitone, una nuova "quasi-particella"

dal sito: www.lescienze.it

 

Come particella libera l'elettrone è indivisibile, ma quando fa parte di una popolazione di altri elettroni all'interno possono verificarsi fenomeni inusuali: le sue "qualità" possono separarsi e vivere di vita propria come quasi-particella. Dopo spinone e olone, un gruppo di fisici svizzeri e tedeschi è ora riuscito a produrre e osservare una nuova quasi-particella di questo tipo: l'orbitone (red)

Oggetti e qualità: nel nostro mondo quotidiano le consideriamo come qualcosa di ben diverso. Ma alla scala quantistica le cose non sono così semplici e spesso non è facile, o possibile, fare una netta distinzione. Una nuova conferma di questa strana caratteristica della meccanica quantistica viene da uno studio pubblicato sulla rivista “Nature” relativo al “frazionamento” dell’elettrone.

L’elettrone è una particella elementare, e come tale ha due proprietà intrinseche ovvero lo spin e la carica elettrica. Se però viene osservato legato a un nucleo atomico ne ha anche un’altra: ha anche un numero quantico che esprime il suo momento angolare, corrispondente all’orbitale atomico quantizzato che occupa.

La cosa più singolare è però che come particella libera l’elettrone è indivisibile, mentre si comporta in modo assai differente quando fa parte di una popolazione all’interno di un materiale solido, in cui ciascun elettrone può essere considerato uno stato legato di tre “quasi-particelle”, ciascuna delle quali ha una delle tre proprietà separate.

Quando le dimensioni del solido preso in esame vengono ridotte, per esempio fino a un cavo monodimensionale, la teoria quantistica prevede che queste quasi-particelle possano separarsi. Nello specifico, l’elettrone si separa in due quasi-particelle indipendenti, una che trasporta lo spin (lo spinone) e una che trasporta la carica (l’olone), come osservato per la prima volta 15 anni fa.

La separazione spin-carica è un esempio di frazionalizzazione, un fenomeno in cui i numeri quantici delle quasi-particelle non sono multipli di quelli delle particelle elementari, ma loro frazioni. Questo effetto è una delle manifestazioni

più inconsuete della fisica quantistica a multicorpi e riflette un concetto molto profondo che ha avuto importanti conseguenze in diverse teorie, per esempio nella descrizione della superconduttività ad alta temperatura negli ossidi di rame.

Nello studio è stata appunto realizzata un'ulteriore frazionalizzazione dell’elettrone. I ricercatori hanno preso in considerazione l’eccitazione di un grado di libertà orbitale del rame nell’ossido Sr2CuO3, un isolante monodimensionale, in grado di produrre un processo di separazione spin-orbita analogo del meccanismo di separazione spin-carica.

Utilizzando una tecnica di diffusione inelastica risonante dei raggi X, Justine Schlappa, dell’Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie, insieme con Thorsten Schmitt del Paul Scherrer Institut di Villigen, in Svizzera, e Ralph Claessen dell’Università di Würtzburg, in Germania, è così riuscito a separare la “qualità” corrispondente al grado di libertà orbitale dell’elettrone tanto da poterla osservare come nuova quasi-particella: l’orbitone.

I ricercatori in particolare sono riusciti a osservare un orbitone che si separava dagli spinoni e si propagava attraverso il reticolo come una distinta quasi-particella con una sostanziale dispersione in energia sul momento,  pari a circa 0,2 elettronvolt.