La Fisica Quantistica Scopre la "Morte Improvvisa" delle Fluttuazioni: Una Sfida alle Teorie Attuali della Superconduttività

Un gruppo di fisici dell'Università di Princeton ha recentemente pubblicato una ricerca rivoluzionaria che potrebbe riscrivere le teorie consolidate della superconduttività. Il team ha studiato il ditellururo di tungsteno (WTe₂), un materiale che ha mostrato comportamenti quantistici inattesi a bassissime temperature.

La Scoperta

Il ditellururo di tungsteno è stato raffreddato a temperature estremamente basse, circa 50 milliKelvin, dove gli effetti della meccanica quantistica diventano predominanti. Introducendo una piccola quantità di elettroni nel materiale, i ricercatori sono riusciti a trasformarlo da isolante a superconduttore con un minimo cambiamento di voltaggio. Questo ha permesso loro di controllare con precisione le proprietà superconduttive, variando la densità degli elettroni attraverso un gate voltage.

La "Morte Improvvisa" delle Fluttuazioni

Uno degli aspetti più sorprendenti della ricerca è stata la scoperta che le fluttuazioni quantistiche nel materiale scompaiono improvvisamente al di sotto di una certa densità critica di elettroni. Questo fenomeno è stato definito come la "morte improvvisa" delle fluttuazioni. In condizioni normali, ci si sarebbe aspettato che le fluttuazioni persistessero anche al di sotto della densità critica, ma i risultati hanno mostrato il contrario, sfidando le attuali teorie della fase critica quantistica.

Cosa Sono le Fluttuazioni Quantistiche?

Per comprendere la portata di questa scoperta, è essenziale capire cosa sono le fluttuazioni quantistiche. Nel mondo microscopico della fisica quantistica, le particelle come elettroni e fotoni non hanno posizioni e velocità definite come nel mondo macroscopico. Invece, si trovano in uno stato di costante cambiamento e movimento, noto come fluttuazioni quantistiche.

Queste fluttuazioni sono il risultato del principio di indeterminazione di Heisenberg, che stabilisce che non possiamo conoscere simultaneamente con precisione sia la posizione che la velocità di una particella. Quindi, anche nel vuoto, dove sembrerebbe non esserci nulla, le particelle virtuali appaiono e scompaiono in continuazione, creando un "mare" di attività quantistica.

Le Implicazioni

Questo comportamento non è spiegato dalle teorie esistenti, come la teoria di Ginzburg-Landau e la teoria BKT (Berezinskii-Kosterlitz-Thouless), suggerendo la necessità di sviluppare nuove teorie per descrivere queste osservazioni. I ricercatori sperano che studi futuri, sia teorici che sperimentali, possano chiarire questi nuovi fenomeni.

Superconduttività Monodimensionale: Un Nuovo Orizzonte

Parallelamente, un'altra ricerca presso l'Università di Manchester ha portato alla scoperta della superconduttività monodimensionale (1D) in alcuni materiali. Questi stati elettronici 1D, confinati all'interno dei domini dei muri, mostrano una capacità unica di ibridarsi con la superconduttività, aprendo nuove strade per lo studio dei quasiparticelle topologiche. Questa scoperta potrebbe rivoluzionare l'approccio alla manipolazione dei qubit nei computer quantistici, migliorando significativamente la loro stabilità e capacità di calcolo.

Verso la Comunicazione Quantistica Globale

Nel frattempo, un altro importante sviluppo viene dall'Università di Waterloo, dove i ricercatori hanno fatto un passo avanti verso la realizzazione di comunicazioni quantistiche sicure su scala globale. Questa tecnologia, basata sull'entanglement quantistico, potrebbe rivoluzionare la sicurezza delle comunicazioni, garantendo la protezione dei dati contro qualsiasi tentativo di intercettazione. Gli esperimenti hanno dimostrato che è possibile mantenere l'entanglement su distanze maggiori rispetto a quanto ottenuto in precedenza, aprendo la strada alla realizzazione di reti quantistiche globali.

Approfondimenti: L'Importanza della Superconduttività 1D

La scoperta della superconduttività 1D non solo rappresenta un passo avanti fondamentale nella fisica dei materiali, ma potrebbe avere importanti applicazioni pratiche. I sistemi 1D, con la loro capacità di trasportare corrente senza resistenza e senza dispersione, sono ideali per sviluppare nuovi tipi di dispositivi elettronici che richiedono efficienza energetica estrema. Inoltre, la capacità di manipolare questi stati elettronici con precisione mediante campi elettrici e magnetici offre nuove possibilità per il controllo quantistico su scala nanometrica.

I ricercatori hanno dimostrato che questi stati elettronici possono essere utilizzati per creare onde stazionarie di elettroni che modulano le proprietà superconduttive del materiale. Questo livello di controllo apre nuove opportunità per l'ingegneria dei materiali quantistici e potrebbe portare alla realizzazione di nuovi dispositivi quantistici con applicazioni in vari campi, dalla crittografia alla computazione quantistica.

Conclusioni

Le recenti scoperte nel campo della fisica quantistica non solo stanno sfidando le nostre attuali comprensioni teoriche, ma stanno anche aprendo nuove possibilità tecnologiche. La "morte improvvisa" delle fluttuazioni quantistiche e la superconduttività 1D rappresentano solo l'inizio di una nuova era di esplorazioni scientifiche che promettono di rivoluzionare il modo in cui comprendiamo e utilizziamo la fisica quantistica.

Queste scoperte non solo arricchiscono la nostra conoscenza fondamentale, ma hanno il potenziale per trasformare radicalmente la tecnologia moderna, portando a innovazioni che potrebbero avere un impatto profondo sulla società.

Fonti

• Phys.org - 'Sudden death' of quantum fluctuations defies current theories of superconductivity
• ScienceDaily - The world is one step closer to secure quantum communication on a global scale
• SciTechDaily - Quantum Breakthrough: Researchers Unlock New Realms in 1D Superconductivity