Superconduttori e impulsi ultraveloci, la scoperta del limite intrinseco della materia

La superconduttività rappresenta uno dei fenomeni più affascinanti e promettenti della fisica moderna. Quando determinati materiali vengono raffreddati a temperature estremamente basse, la loro resistenza elettrica si annulla completamente, consentendo alla corrente di scorrere senza alcuna perdita di energia. Tuttavia, questa capacità non è infinita. Esiste una soglia critica oltre la quale il materiale smette di comportarsi da superconduttore e torna a essere un conduttore ordinario, generando calore e resistenza.

Per decenni, gli scienziati hanno cercato di misurare con precisione il vero punto di rottura della superconduttività, noto come corrente di depairing. Nella pratica di laboratorio, questo limite intrinseco è sempre risultato inaccessibile a causa del movimento di piccoli vortici magnetici e del surriscaldamento del materiale. Un recente studio pubblicato sulla rivista Nature Physics dai ricercatori del Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter ha finalmente superato questo ostacolo, impiegando impulsi elettrici ultraveloci della durata di pochi picossecondi.

Il funzionamento della superconduttività e il ruolo delle coppie di Cooper

Nei metalli tradizionali, gli elettroni si muovono urtando continuamente contro il reticolo atomico della materia. Questo attrito microscopicamente diffuso è la causa diretta della resistenza elettrica e della dispersione di energia sotto forma di calore. Nei materiali superconduttori, invece, la fisica quantistica trasforma radicalmente questo comportamento.

Al di sotto di una precisa temperatura critica, gli elettroni superano la loro naturale repulsione elettrica e si uniscono a due a due, formando le cosiddette coppie di Cooper. Questo legame trasforma le coppie di elettroni in entità collettive capaci di muoversi all’interno del reticolo cristallino in totale armonia, senza subire collisioni o generare attrito.

L’energia che tiene unite le coppie di Cooper è definita gap superconduttivo. Fintanto che la corrente elettrica applicata rimane al di sotto di un determinato valore, l’energia del sistema si mantiene stabile. Se la densità di corrente aumenta eccessivamente, la forza del campo elettrico e l’energia cinetica accumulata spezzano il legame quantistico, separando le coppie di Cooper e restituendo gli elettroni al loro stato normale.

I vortici magnetici e l’ostacolo delle misurazioni tradizionali

Nei superconduttori di secondo tipo, categoria che comprende la maggior parte dei materiali utilizzati per le applicazioni pratiche, l’aumento della corrente elettrica produce un fenomeno complesso. Il campo magnetico penetra all’interno della struttura sotto forma di vortici magnetici quantizzati.

Quando una corrente continua viene fatta scorrere attraverso il superconduttore, questi vortici subiscono una forza laterale che li mette in movimento. Lo spostamento dei vortici genera attrito interno, dissipazione di calore e una comparsa precoce della resistenza elettrica.

Di conseguenza, la corrente critica misurata nei test tradizionali a corrente continua non rispecchia la vera capacità massima del materiale. Il superconduttore perde le sue proprietà prima che le coppie di Cooper vengano effettivamente distrutte dal campo elettrico, bloccato dall’inevitabile disturbo causato dai vortici in movimento.

Superare la velocità dei vortici con impulsi ai picossecondi

Per osservare il punto di rottura fondamentale del legame quantistico, il team di ricerca guidato da Eryin Wang e Andrea Cavalleri ha ideato una strategia innovativa basata sulla velocità. Sapendo che i vortici magnetici si muovono a una velocità massima di decine di chilometri al secondo, gli scienziati hanno calcolato che durante un intervallo temporale di un solo picossecondo, corrispondente a un millesimo di miliardesimo di secondo, i vortici riescono a spostarsi soltanto di pochissimi nanometri.

Applicando scosse elettriche estremamente brevi, i ricercatori sono riusciti a congelare inerzialmente la dinamica dei vortici, impedendo loro di muoversi e di generare calore. In questo modo, l’energia dell’impulso è stata trasferita direttamente al sistema quantistico delle coppie di Cooper prima che qualsiasi altro fenomeno di disturbo potesse innescarsi.

L’apparato sperimentale si basa su un’architettura micro-optoelettronica avanzata. La sequenza operativa si articola nei seguenti passaggi:

1. Un laser a femtosecondi genera un impulso luminoso che colpisce interruttori fotoconducenti polarizzati in tensione.

2. L’interazione tra luce e materiale semiconduttore scatena un impulso elettrico ultraveloce della durata di circa $2 \text{ ps}$.

3. L’impulso viene incanalato lungo una guida d’onda coplanare integrata su chip.

4. La corrente raggiunge il micro-campione superconduttore mantenuto a bassissima temperatura.

5. Il segnale trasmesso e quello riflesso vengono analizzati con precisione ottica per misurare la risposta dinamica della carica.

Il confronto tra il nitruro di niobio e i rameici ad alta temperatura

Gli esperimenti sono stati condotti su due materiali rappresentativi di due differenti classi di superconduttori: il nitruro di niobio ($\text{NbN}$) e il rameico di ittrio, bario e rame ($\text{YBa}_2\text{Cu}_3\text{O}_{7-\delta}$, o $\text{YBCO}$).

I risultati hanno mostrato due comportamenti profondamente diversi, legati alla struttura fondamentale del loro gap energetico:

• Nel nitruro di niobio, un superconduttore di tipo $s\text{-wave}$ a simmetria sferica, il gap energetico è uniforme in tutte le direzioni dello spazio. Sotto l’azione dell’impulso a picossecondi, la conducibilità è rimasta perfettamente superconduttiva fino a un valore di corrente ben preciso, circa $2{,}2$ volte superiore alla corrente critica misurata con i metodi tradizionali. Una volta superata questa soglia, la superconduttività è crollata in modo netto e repentino, confermando la rottura simultanea delle coppie di Cooper secondo la teoria Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS).

• Nel materiale YBCO, un superconduttore di tipo $d\text{-wave}$ ad alta temperatura critica, il gap energetico varia fortemente a seconda della direzione cristallografica, annullandosi completamente lungo precise direzioni nodali. Durante l’applicazione dell’impulso elettrico, l’attenuazione della superconduttività non è avvenuta a una soglia netta, ma si è sviluppata in modo graduale al crescere dell’intensità di corrente. La rottura delle coppie di Cooper è iniziata precocemente nei punti del cristallo a energia nulla, diffondendosi poi progressivamente nel resto della struttura.

Implicazioni tecnologiche per l’elettronica del futuro

La capacità di guidare i superconduttori fino al loro limite intrinseco di depairing senza distruggerli apre nuove prospettive per la fisica della materia e per l’ingegneria dei materiali.

L’uso di impulsi elettrici ultraveloci consente di sviluppare componenti optoelettronici superconduttori capaci di elaborare informazioni a frequenze nell’ordine dei Terahertz, ben oltre le capacità dei circuiti a semiconduttore attuali. Inoltre, la comprensione precisa della rottura del legame di Cooper aiuterà a progettare magneti superconduttori più efficienti, cavità a radiofrequenza per acceleratori di particelle e sensori quantistici a altissima sensibilità.

Traduzione abstract. La disponibilità dello studio completo, in accesso libero o riservato, è verificabile tramite il link del DOI nel box sotto se disponibile.

Abstract

Accedere alla densità di corrente critica intrinseca nei superconduttori di tipo II può fornire un mezzo per sondare le proprietà superconduttive microscopiche e aumentare i limiti di corrente nei dispositivi ad alto campo magnetico e nei sistemi di alimentazione elettrica. Tuttavia, la densità di corrente critica misurata utilizzando correnti continue si trova generalmente al di sotto di questo limite intrinseco, principalmente a causa del movimento dei vortici e dell’autoriscaldamento. Qui dimostriamo che impulsi elettrici di picosecondi, che agiscono su scale temporali troppo brevi perché i vortici si muovano, generano supercorrenti fino al limite intrinseco di depairing. Sondamo le correnti critiche di picosecondi in NbN e YBa2Cu3O7, superconduttori rappresentativi rispettivamente di tipo s e d. In NbN, troviamo un brusco inizio del depairing di picosecondi a una densità di corrente pari a circa 2,2 volte la densità di corrente critica convenzionale, coerente con la dinamica microscopica basata sulla teoria di Bardeen-Cooper-Schrieffer. Al contrario, YBa2Cu3O7 mostra una graduale soppressione della superconduttività con l’aumentare della corrente, a testimonianza della sua simmetria d-wave. Questi risultati forniscono una sonda per i superconduttori al di là della portata delle misurazioni di trasporto convenzionali. Il raggiungimento della corrente di depairing potrebbe inoltre supportare l’elettronica superconduttiva operante più vicino ai limiti intrinseci di corrente.

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