Esiste una forma di superconduttività che si comporta in modo così bizzarro da essersi guadagnata il soprannome di “fase Lazzaro”. Sparisce, come ci si aspetterebbe, sotto l’effetto di campi magnetici potenti. E fin qui, tutto normale. Ma poi, quando il campo magnetico diventa ancora più forte, quella stessa superconduttività torna in vita. Come se nulla fosse successo. Questo fenomeno è stato osservato nell’uranio ditelluride (UTe2), un materiale che sta mettendo in crisi parecchie certezze della fisica dei materiali.

La scoperta, guidata in parte dal fisico Andriy Nevidomskyy della Rice University, è stata pubblicata sulla rivista Science e racconta qualcosa che, a prima vista, non dovrebbe esistere. In condizioni normali, i campi magnetici sono il nemico giurato dei superconduttori. Anche campi relativamente modesti tendono a indebolire la superconduttività, e quelli più intensi la eliminano del tutto oltre una certa soglia critica. L’uranio ditelluride, però, se ne infischia di questa regola. Già nel 2019 si era scoperto che poteva restare superconduttore in campi magnetici centinaia di volte più forti rispetto a quelli tollerati dai materiali convenzionali. Ma la vera sorpresa è arrivata dopo.

La fase Lazzaro e quell’alone a forma di ciambella

Quello che hanno osservato i ricercatori dell’Università del Maryland e del National Institute of Standards and Technology è qualcosa di davvero controintuitivo. Nell’UTe2, la superconduttività scompare sotto i 10 Tesla, che è già un campo magnetico enorme. Poi, sopra i 40 Tesla, ricompare. Nevidomskyy ha ammesso di essere rimasto sbalordito vedendo i dati sperimentali per la prima volta. La superconduttività ad alto campo sembrava limitata a una direzione molto stretta rispetto al cristallo, senza una spiegazione immediata.

Le misurazioni successive hanno rivelato che la regione superconduttiva assume una forma toroidale, una specie di ciambella tridimensionale che avvolge un asse specifico della struttura cristallina. Un risultato definito “sorprendente e bellissimo” da Sylvia Lewin del NIST, tra le autrici principali dello studio. Per dare un senso a tutto questo, Nevidomskyy ha costruito un modello teorico fenomenologico che si concentra sul comportamento complessivo piuttosto che sui meccanismi microscopici esatti. E i risultati combaciano in modo convincente con i dati sperimentali.

Come magnetismo e superconduttività riescono a convivere

Un aspetto particolarmente affascinante riguarda le coppie di Cooper, le coppie di elettroni responsabili della superconduttività. In questo materiale, si comportano come se possedessero un momento angolare, simile a quello di un oggetto in rotazione. Quando il campo magnetico interagisce con questo moto, produce un effetto direzionale che genera proprio quell’alone osservato sperimentalmente.

C’è poi la questione della cosiddetta transizione metamagnetica, un aumento improvviso della magnetizzazione del campione. La superconduttività ad alto campo appare solo dopo che il campo raggiunge questo valore soglia, che a sua volta dipende fortemente dall’angolo. Gli scienziati stanno ancora discutendo su cosa provochi esattamente questa transizione e su come influenzi il ritorno della superconduttività.

Sapere che le coppie di Cooper nell’uranio ditelluride portano con sé un momento magnetico è, secondo Nevidomskyy, uno dei risultati chiave dello studio. Un punto di partenza solido per le indagini future su un materiale che continua a sorprendere. La ricerca è stata finanziata dal Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti e dalla National Science Foundation, con il coinvolgimento di team del NIST, dell’Università del Maryland e del Los Alamos National Laboratory.

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Un enigma lungo decenni nel campo della superconduttività ha appena preso una piega che nessuno si aspettava. Il rutenato di stronzio, un materiale capace di condurre elettricità senza alcuna resistenza a temperature bassissime, era considerato da tempo uno dei candidati più affascinanti per ospitare uno stato superconduttivo esotico e complesso. Qualcosa che i fisici inseguono da anni, perché capirlo significherebbe riscrivere parecchie pagine dei manuali di fisica della materia condensata. Eppure, un gruppo di ricercatori ha deciso di mettere alla prova quelle convinzioni con un approccio diverso dal solito, e il risultato ha spiazzato un po’ tutti.

Cristalli sottilissimi, torti e deformati: l’esperimento che cambia le carte in tavola

L’idea alla base dell’esperimento è tanto elegante quanto concreta. I ricercatori hanno preso cristalli ultrasottili di rutenato di stronzio e li hanno sottoposti a torsione e deformazione meccanica controllata. In pratica, li hanno stressati fisicamente per vedere come reagiva lo stato superconduttivo del materiale. Se davvero il rutenato di stronzio possedesse uno stato superconduttivo complesso, con una struttura interna fragile e articolata, ci si aspetterebbe una risposta evidente a queste sollecitazioni. Un cambiamento netto, una rottura della simmetria, qualcosa di misurabile.

E invece? Il materiale non ha praticamente reagito. Una risposta quasi nulla, là dove ci si attendeva un segnale forte. Questo fatto mette in discussione anni di ipotesi e interpretazioni che davano per scontata la natura esotica della superconduttività del rutenato di stronzio. Non è un dettaglio da poco, perché la comunità scientifica aveva costruito un’intera narrazione teorica attorno a quell’idea.

Più semplice o più strano di quanto si pensasse?

La cosa davvero interessante è che questo risultato apre due strade opposte, ed entrambe sono affascinanti. Da un lato, potrebbe significare che il comportamento superconduttivo del rutenato di stronzio è molto più semplice di quanto ipotizzato per decenni. Niente stato esotico, niente complessità nascosta. Dall’altro lato, e qui la faccenda si fa ancora più intrigante, potrebbe indicare che la fisica in gioco è talmente insolita da sfuggire anche ai modelli più sofisticati attualmente disponibili. In pratica: o la risposta è banale, oppure è così profonda che ancora non si hanno gli strumenti concettuali giusti per afferrarla.

Quello che emerge con chiarezza è che la fisica dei materiali superconduttori riserva ancora sorprese enormi. Il rutenato di stronzio resta un materiale centrale per la ricerca, ma adesso le domande da porsi sono cambiate radicalmente. E nel mondo della scienza, quando un esperimento ben fatto costringe a ripensare le domande stesse, vuol dire che si sta facendo un passo avanti vero.

Questa scoperta ricorda quanto sia importante non dare mai nulla per acquisito, soprattutto quando si parla di superconduttori. Materiali che, per loro natura, continuano a sfidare le aspettative e a mantenere viva quella sana tensione tra ciò che si crede di sapere e ciò che la realtà, testardamente, continua a rivelare.

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I computer quantistici rappresentano una delle frontiere più ambiziose della tecnologia moderna, eppure la strada per costruirli in modo affidabile passa attraverso materiali che finora si sono dimostrati quasi impossibili da ottenere. Un gruppo di ricercatori dell’Università di Chicago e della West Virginia University ha però trovato qualcosa di sorprendente: basta una sottile modifica nella composizione chimica di un materiale ultrasottile per trasformarlo in un superconduttore topologico, ovvero esattamente il tipo di materia esotica di cui questi dispositivi avrebbero bisogno per funzionare davvero.

Il punto è questo. Anche i supercomputer più potenti che esistono oggi faticano con certi problemi complessi, dalla scoperta di nuovi farmaci alla violazione di sistemi crittografici avanzati. I computer quantistici potrebbero risolvere queste sfide, ma dipendono da materiali rarissimi e capricciosi. I superconduttori topologici, per la precisione. Crearli e controllarli è stato finora un incubo per la comunità scientifica. Questo nuovo approccio, pubblicato su Nature Communications, cambia le carte in tavola perché offre un metodo pratico e replicabile.

Il segreto sta nel rapporto tra tellurio e selenio

Il materiale protagonista dello studio si chiama tellururo selenuro di ferro, una sostanza scoperta relativamente di recente che combina superconduttività con comportamenti topologici insoliti. Il team ha lavorato su film ultrasottili composti da tellurio e selenio, scoprendo che modificando con precisione la proporzione tra questi due elementi si riesce a spingere il materiale da una fase quantistica all’altra. Fino a raggiungere quella fase di superconduttore topologico tanto ricercata.

Come ha spiegato Haoran Lin, dottorando alla UChicago e primo autore dello studio, le correlazioni elettroniche funzionano come una specie di manopola da regolare. Se le correlazioni sono troppo forti, gli elettroni restano bloccati. Se sono troppo deboli, il materiale perde le sue proprietà topologiche speciali. Ma al livello giusto, ecco che emerge il superconduttore topologico.

Subhasish Mandal, professore di fisica alla West Virginia University e coautore della ricerca, ha sottolineato che questo materiale è unico perché mette insieme tutti gli ingredienti essenziali: superconduttività, forte accoppiamento spin orbita e correlazioni elettroniche pronunciate. Una combinazione ideale per esplorare come diversi effetti quantistici interagiscono e competono tra loro.

In passato, questo materiale veniva prodotto sotto forma di cristalli voluminosi. Il problema? Erano difficili da manipolare e la loro composizione chimica variava da una zona all’altra, rendendo i risultati poco affidabili e difficili da replicare.

Film sottili: la via concreta verso dispositivi quantistici stabili

Ed è qui che entrano in gioco i film ultrasottili sviluppati dal gruppo di Shuolong Yang, professore di Ingegneria Molecolare alla UChicago e autore senior dello studio. Questi film offrono vantaggi concreti rispetto ad altre soluzioni. Tanto per cominciare, funzionano a temperature fino a 13 Kelvin, mentre le piattaforme basate sull’alluminio richiedono di scendere intorno a 1 Kelvin. Può sembrare un dettaglio tecnico, ma significa che il raffreddamento diventa molto più gestibile con normali sistemi a elio liquido. Un bel passo avanti in termini di praticità.

I film sottili garantiscono anche una maggiore uniformità e sono decisamente più compatibili con le moderne tecniche di fabbricazione dei dispositivi rispetto ai cristalli tradizionali. Come ha fatto notare Lin, se si vuole usare questo materiale per un’applicazione reale, bisogna poterlo far crescere come film sottile, invece di provare a staccare strati da un cristallo che potrebbe avere una composizione incoerente al suo interno.

Diversi gruppi di ricerca stanno già collaborando con il team di Yang per modellare questi film e costruire prototipi di dispositivi quantistici. Nel frattempo, i ricercatori continuano a studiare altre caratteristiche del tellururo selenuro di ferro in forma di film sottile, per capire fino in fondo il suo potenziale.

Quello che rende questa scoperta particolarmente promettente non è solo il risultato in sé, ma il fatto che apre una direzione completamente nuova nella ricerca sui materiali quantistici. Un modo concreto, e non solo teorico, per progettare i materiali che i computer quantistici di prossima generazione avranno bisogno per diventare realtà.

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Trovare un materiale capace di trasmettere elettricità e spin degli elettroni senza alcuna resistenza è stato per decenni il sogno proibito della fisica dello stato solido. Ora un gruppo di ricercatori potrebbe aver individuato proprio quel materiale, e le implicazioni per il quantum computing sarebbero enormi. Il protagonista di questa storia è una lega metallica chiamata NbRe, composta da niobio e renio, due metalli rari che insieme sembrano comportarsi in modo del tutto anomalo rispetto ai superconduttori tradizionali. Se le prime evidenze sperimentali dovessero essere confermate, ci troveremmo di fronte a quello che molti fisici definiscono senza mezzi termini il “Sacro Graal” della tecnologia quantistica.

A parlarne è il professor Jacob Linder, fisico della Norwegian University of Science and Technology (NTNU), dove lavora presso QuSpin, un centro di ricerca dedicato allo studio dei materiali quantistici. Linder non nasconde l’entusiasmo: un superconduttore tripletto è in cima alla lista dei desideri di chiunque operi nel campo. E il motivo è piuttosto chiaro. Mentre i superconduttori convenzionali, detti “singoletto”, permettono alla corrente elettrica di fluire senza dispersione di energia sotto forma di calore, non sono in grado di trasportare lo spin degli elettroni. I superconduttori tripletto, invece, fanno entrambe le cose. E questa doppia capacità cambia radicalmente le carte in tavola.

Perché lo spin fa tutta la differenza

Per capire cosa rende così speciale un superconduttore tripletto, bisogna fare un piccolo passo indietro e guardare alla spintronica. Si tratta di una branca dell’elettronica che sfrutta lo spin, una proprietà fondamentale degli elettroni, per trasportare e processare informazioni in modi diversi rispetto ai circuiti tradizionali. Lo spin può giocare un ruolo cruciale anche nella tecnologia quantistica, soprattutto quando viene abbinato alla superconduttività. Il problema, fino a oggi, è stato l’instabilità. Uno dei principali ostacoli nel quantum computing riguarda la precisione delle operazioni: i qubit sono notoriamente fragili e soggetti a errori. Un superconduttore tripletto potrebbe contribuire a stabilizzare l’intero sistema, rendendo i computer quantistici non solo più affidabili ma anche incredibilmente efficienti dal punto di vista energetico.

Linder e i suoi collaboratori italiani hanno pubblicato uno studio su Physical Review Letters, una delle riviste più prestigiose nel campo della fisica, e il lavoro è stato selezionato tra le raccomandazioni editoriali del giornale. Non è un dettaglio da poco: significa che la comunità scientifica considera questi risultati degni di particolare attenzione. Nello studio, il team dimostra che la lega NbRe esibisce proprietà coerenti con la superconduttività tripletto. Il materiale si comporta in modo completamente diverso da quello che ci si aspetterebbe da un superconduttore singoletto convenzionale, e questo è già di per sé un segnale forte.

Una temperatura “calda” per gli standard della superconduttività

C’è un altro aspetto che rende NbRe particolarmente interessante: la temperatura di superconduzione. La lega diventa superconduttrice a circa 7 Kelvin, che tradotto in gradi Celsius significa circa meno 266 gradi. Sembra un freddo pazzesco, e lo è. Ma nel mondo della superconduttività, 7 Kelvin è una temperatura relativamente “alta”. Altri candidati a superconduttore tripletto richiedono temperature vicine a 1 Kelvin, il che li rende molto più difficili e costosi da utilizzare nella pratica. Poter lavorare a 7 Kelvin significa avere un materiale decisamente più gestibile e, in prospettiva, più facilmente integrabile in dispositivi reali.

Naturalmente, Linder stesso invita alla cautela. È ancora troppo presto per dichiarare con certezza assoluta che NbRe sia effettivamente un superconduttore tripletto. La scoperta dovrà essere verificata da altri gruppi sperimentali indipendenti, e saranno necessari ulteriori test specifici sulla superconduttività tripletto. Tuttavia, i dati raccolti finora sono incoraggianti e puntano tutti nella stessa direzione.

Se la conferma dovesse arrivare, le ricadute sul quantum computing e sulla spintronica sarebbero difficili da sovrastimare. Computer quantistici ultra veloci che consumano quantità di energia prossime allo zero non sarebbero più fantascienza ma un obiettivo tecnologico concreto. Il team della NTNU potrebbe aver aperto una porta che la fisica inseguiva da molto, molto tempo. E stavolta, dall’altra parte, potrebbe esserci davvero qualcosa di straordinario.

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