Una scoperta quantistica attesa da tempo, fin dal 1960, è finalmente diventata realtà: gli scienziati sono riusciti a osservare analoghi degli stati di vortice nei superconduttori, aprendo nuove strade per lo sviluppo di simulatori quantistici ibridi. Per oltre sei decenni, un fenomeno previsto dalla teoria quantistica è rimasto un enigma appena alla portata dei fisici. Si trattava dei cosiddetti stati di Caroli-de Gennes-Matricon, una struttura quantistica che doveva trovarsi al centro dei vortici che compaiono in alcuni materiali superconduttori. Tuttavia, nonostante i progressi tecnologici, la loro rilevazione diretta era quasi impossibile. Ora, grazie a un ingegnoso sistema progettato presso l’Istituto Niels Bohr dell’Università di Copenaghen, questo antico mistero ha iniziato a svelarsi. Tutto questo può sembrare strano, quindi ve lo spieghiamo in modo semplice. La scoperta, pubblicata su Physical Review Letters, è stata possibile non grazie al ritrovamento degli stati nella loro forma naturale, ma grazie alla ricreazione di una versione sintetica e controllata dell’ambiente in cui si formano. Invece di cercare direttamente un vero vortice quantistico, i ricercatori hanno costruito un sistema nanoscopico che emula le condizioni necessarie. Come se si trattasse di trovare un’entrata secondaria in una stanza chiusa da anni, questa scorciatoia sperimentale ha permesso di visualizzare e studiare questi stati quantistici sfuggenti.
Cosa era stato previsto negli anni ’60 e perché era così difficile da vedere
Nel 1964, i fisici Caroli, de Gennes e Matricon proposero che, nel nucleo di un vortice all’interno di un superconduttore di tipo II, dovessero emergere alcuni stati quantistici legati, confinati dall’energia del sistema. Questi stati sono oggi noti come stati CdGM. La loro importanza risiede nel fatto che sono manifestazioni dirette di come le particelle quantistiche si comportano in ambienti estremi di confinamento e rottura della simmetria.
Il problema era che questi stati sono separati tra loro da scale di energia minuscole, molto inferiori a quelle che gli esperimenti standard possono risolvere. Nelle parole dell’articolo scientifico, “le separazioni energetiche degli stati CdGM sono inferiori alla breccia superconduttiva, Δ, di un fattore dell’ordine di Δ/EF”. Questo rapporto, Δ/EF, è solitamente estremamente piccolo, dell’ordine di un decimillesimo, il che impedisce di osservare direttamente questi stati nei materiali metallici convenzionali.
Cosa sono in realtà i vortici quantistici
Quando un superconduttore di tipo II è esposto a un campo magnetico moderato, non blocca completamente quel campo come fanno altri materiali. Al contrario, il campo penetra all’interno del superconduttore formando piccoli tubi invisibili chiamati vortici quantici. All’interno di ciascuno di essi circola una quantità minima di campo magnetico, sempre la stessa. Non può essere divisa né regolata: è come una misura standard che la natura non permette di frazionare.
Al centro del vortice, il materiale perde momentaneamente la sua capacità superconduttiva, creando un ambiente unico in cui possono apparire stati quantistici speciali. Intorno ad esso, le proprietà del superconduttore ruotano in modo ordinato, generando una sorta di spirale microscopica che può formarsi solo in queste condizioni. Lungi dall’essere una semplice anomalia, il vortice è una struttura stabile e fondamentale, uno scenario ideale per osservare fenomeni che normalmente sarebbero nascosti ai nostri strumenti.
Vortici artificiali: una via alternativa per osservare l’inosservabile
Data l’impossibilità di accedere direttamente a questi stati, i scienziati hanno deciso di progettare un sistema che simula con precisione le condizioni del vortice quantistico, ma in una struttura diversa. Hanno utilizzato nanocavi di arseniuro di indio (InAs) completamente ricoperti da un sottile strato di alluminio, formando quello che è noto come nanostrato superconduttore-semiconduttore a rivestimento completo.
L’essenza del progetto sta nel fatto che, applicando un campo magnetico assiale a questa struttura cilindrica, il flusso magnetico induce una torsione nella fase del superconduttore, creando una sorta di vortice artificiale. Questo sistema genera “analoghi degli stati CdGM sotto forma di singolarità di van Hove in bande unidimensionali dispersive”. In altre parole, non si osserva il vortice in sé, ma un equivalente funzionale, più accessibile alla tecnologia sperimentale attuale.
Questo approccio consente inoltre di manipolare a piacimento i parametri del sistema, come lo spessore del rivestimento superconduttore o il campo magnetico applicato. In questo modo, i ricercatori possono studiare come emergono questi stati, come si comportano e come cambiano con le condizioni esterne. Il sistema non è solo un modello, ma un laboratorio di fisica quantistica in miniatura.
Una chiara firma sperimentale: i lobi di Little-Parks
Uno degli aspetti più eleganti dell’esperimento è che si basa su un fenomeno noto come effetto Little-Parks, scoperto nel 1962. Questo effetto descrive come la temperatura critica di un superconduttore varia in modo oscillatorio quando viene applicato un flusso magnetico, a causa della quantizzazione del flusso in multipli del quanto di flusso magnetico (Φ₀ = h/2e).
Nello studio, i ricercatori hanno osservato che il sistema mostra una “struttura a lobi” nella breccia di energia superconduttiva, che si modula con il campo magnetico.
Nei lobi superiori, dove compaiono gli stati CdGM sintetici, sono stati osservati stati subgap dispersivi che coincidono con le previsioni teoriche. Inoltre, all’interno di ciascun lobo, questi stati presentano una curiosa asimmetria energetica, spostandosi verso campi più elevati. Questa caratteristica è stata “spiegata teoricamente […] e descritta sperimentalmente in modo molto dettagliato”.
Questo tipo di modulazione offre un segnale sperimentale robusto e permette di verificare che ciò che si osserva non è un artefatto, ma una manifestazione reale degli stati analoghi ai CdGM. La buona concordanza tra i risultati teorici e gli spettri di conduttanza misurati in laboratorio fornisce una forte convalida del modello.
Applicazioni future: non solo fisica fondamentale
Sebbene il lavoro appartenga chiaramente al campo della ricerca di base, le sue implicazioni possono essere fondamentali per lo sviluppo di future tecnologie quantistiche. Uno dei possibili campi di applicazione è quello dei simulatori quantistici ibridi, dispositivi che consentono di modellare e studiare sistemi fisici complessi che sarebbero inaccessibili con i metodi classici.
Come commenta Saulius Vaitiekėnas, uno degli autori principali, in dichiarazioni raccolte in articoli divulgativi, questi stati non sono stati ricercati direttamente, ma sono apparsi durante lo studio di altre proprietà del sistema. Una volta identificati, hanno capito che “erano più di una curiosità”: si apriva una porta a nuove forme di controllo quantistico, anche in ambienti dove non esistono vortici reali.
Inoltre, la progettazione di materiali come queste piattaforme superconduttrici-semiconduttrici totalmente controllate è al centro della corsa alla costruzione di dispositivi quantistici più stabili e funzionali. La conoscenza dettagliata degli stati che possono emergere in queste strutture contribuirà a migliorare la progettazione di componenti per il calcolo quantistico, i sensori o i circuiti topologici.
Un risultato collaborativo con radici nell’innovazione
Questo progresso non è il risultato di un unico gruppo né di una scoperta isolata. Dietro ci sono anni di lavoro congiunto tra fisici sperimentali e teorici, con team in Danimarca, Spagna e Stati Uniti. Come riportato nell’articolo stesso, le simulazioni sono state realizzate con modelli sviluppati in lavori precedenti e perfezionati per adattarsi alla geometria e ai materiali reali utilizzati nei dispositivi.
Fondamentale è stato anche l’uso di strumenti di nanofabbricazione altamente specializzati, come la deposizione epitassiale di alluminio sui nanocavi di InAs e il controllo preciso del potenziale elettrostatico attraverso porte di tensione. Grazie a questi progressi, è possibile costruire dispositivi che non solo simulano i vortici, ma consentono anche di misurarne direttamente il comportamento con la spettroscopia a effetto tunnel.
Questo tipo di ricerca, che combina progettazione dei materiali, ingegneria quantistica e modellazione teorica avanzata, mostra come la fisica di frontiera si costruisca con piccoli ma precisi passi. Ogni dettaglio è importante, dallo spessore di uno strato di alluminio all’orientamento del campo magnetico.
