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Ok, ho bisogno che immaginiate questa scena con me.
Avete un materiale che è stato raffreddato fino a diventare un superconduttore — il che significa che l'elettricità scorre attraverso di esso come l'acqua in un tubo, con letteralmente zero resistenza. Sta facendo il suo lavoro, conducendo perfettamente, e poi lo riscaldate solo un pochino. La superconduttività svanisce.
Ma è qui che la cosa si fa strana.
Gli scienziati dell'Università dell'Illinois hanno appena trovato la prova che qualcosa rimane. Qualcosa che resta indietro. Non la superconduttività stessa, ma quello che posso descrivere solo come la sua impronta digitale spettrale.
Lo chiamano onda di densità di coppia (pair density wave) — e no, non è un termine da surfisti.
Cosa sta succedendo realmente?
Lasciatemi spiegarlo nel modo più semplice possibile.
In un superconduttore normale, gli elettroni si mettono comodi e si accoppiano. Queste coppie sono chiamate coppie di Cooper (dal nome del fisico Leon Cooper). Quando tutte queste coppie si condensano nello stesso stato quantistico, si ottiene quel magico flusso a resistenza zero che chiamiamo superconduttività.
Normalmente, queste coppie si distribuiscono uniformemente in tutto il materiale. Pensatela come una nebbia di coppie di elettroni distribuita equamente, tutte felici di fare la loro cosa insieme.
Ma in certi superconduttori "non convenzionali" — e il ditellururo di uranio è uno di questi — succede qualcosa di più strano. Le coppie di Cooper iniziano ad organizzarsi in schemi. Come increspature in uno stagno, ma fatte di elettroni. Questa è l'onda di densità di coppia.
Ecco la parte davvero bizzarra: i ricercatori hanno scoperto che questi schemi persistono anche dopo che il materiale ha perso la sua superconduttività.
L'analogia del Gatto del Cheshire
Il fisico Eduardo Fradkin la descrive come "il sorriso del Gatto del Cheshire della superconduttività". Ricordate quella scena di Alice nel Paese delle Meraviglie — il gatto scompare, ma il suo sorriso rimane sospeso tra gli alberi?
È esattamente quello che sta succedendo qui.
La superconduttività svanisce quando si riscalda il materiale oltre la sua temperatura critica, ma gli schemi degli elettroni accoppiati non scompaiono immediatamente. Rimangono per un po', come un'eco.
"Per i superconduttori convenzionali, le coppie di Cooper si formano quando avviene la transizione di fase completa", ha spiegato Fradkin. "Ma in questo sistema, la loro osservazione nelle PDW sopra il punto di transizione dimostra che si formano in precedenza in uno stato diverso."
Questa cosa era stata effettivamente prevista circa 20 anni fa, ma nessuno aveva prove sperimentali convincenti fino ad ora. La svolta è arrivata grazie alla crescita di campioni di ditellururo di uranio di qualità superiore, che ha permesso ai ricercatori di vedere firme spettrali che rispondevano esattamente come previsto dalla teoria.
Perché dovrebbe interessarvi?
Domanda lecita. La maggior parte di noi non è fatta di fisici, e non passiamo i nostri martedì a pensare ai meccanismi di accoppiamento degli elettroni.
Ma il punto è questo: la superconduttività è uno dei fenomeni quantistici più importanti a livello pratico che conosciamo. Macchine per la risonanza magnetica, acceleratori di particelle, computer quantistici — tutto dipende dalla nostra comprensione di come si comportano gli elettroni a basse temperature.
Più comprendiamo i superconduttori non convenzionali, più ci avviciniamo alla possibilità di scoprire o progettare materiali che siano superconduttori a temperature più elevate. (Gli attuali superconduttori richiedono un raffreddamento estremo, il che è costoso e poco pratico per molte applicazioni.)
In più, onestamente? L'universo è semplicemente affascinante. Trovare la prova di qualcosa che si comporta come il fantasma di una fase della materia — è il tipo di scoperta che ci ricorda quanto ancora non sappiamo.
I ricercatori hanno persino dimostrato che questi schemi persistenti rispondono sia alla temperatura che ai campi magnetici esattamente come previsto dalla teoria. È un grande passo avanti perché le onde di densità di coppia sono notoriamente difficili da identificare. Possono sembrare superconduttività in alcuni esperimenti e qualcosa di completamente diverso in altri.
Questa nuova prova è il più vicino possibile alla conferma scientifica.
In sintesi
Abbiamo ora la prova diretta che le coppie di Cooper possono formare schemi prima che la superconduttività si stabilizzi completamente, e che quegli schemi possono sopravvivere dopo che la superconduttività stessa è svanita.
Non è esattamente magia. Ma è il più vicino che la fisica possa arrivare.