Un team internazionale di fisici ha individuato una connessione sorprendente tra magnetismo e pseudogap, una fase ancora poco compresa che compare in alcuni materiali quantistici poco prima della transizione alla superconduttività. La scoperta potrebbe rivelarsi cruciale per lo sviluppo di nuovi materiali avanzati, inclusi i superconduttori ad alta temperatura, capaci di trasportare elettricità senza perdite energetiche.
I risultati arrivano da esperimenti condotti con un simulatore quantistico raffreddato a temperature prossime allo zero assoluto.
In queste condizioni estreme, i ricercatori hanno osservato che gli elettroni seguono uno schema magnetico ben definito anche quando il sistema sembra apparentemente disordinato.
Lo studio è frutto della collaborazione tra fisici sperimentali del Max Planck Institute of Quantum Optics e teorici del Center for Computational Quantum Physics (CCQ) del Flatiron Institute della Simons Foundation, guidati da Antoine Georges.
La ricerca è stata pubblicata su Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).
Perché la superconduttività è ancora un enigma
La superconduttività è studiata da decenni per le sue potenziali applicazioni, dalla trasmissione di energia su lunghe distanze al calcolo quantistico; nonostante ciò, i meccanismi che permettono ad alcuni materiali di diventare superconduttori, soprattutto a temperature relativamente elevate, restano in gran parte sconosciuti.
Nei cosiddetti superconduttori ad alta temperatura, lo stato superconduttivo non emerge direttamente da una fase metallica “normale”. Prima compare una fase intermedia chiamata pseudogap, durante la quale il comportamento degli elettroni cambia in modo anomalo e il numero di stati disponibili per il passaggio di corrente si riduce. Comprendere questa fase è considerato uno dei passaggi chiave per spiegare l’origine della superconduttività non convenzionale.
Doping e magnetismo: un ordine che non scompare del tutto
In condizioni normali, gli elettroni di molti materiali si dispongono secondo un preciso ordine magnetico detto antiferromagnetismo, in cui gli spin degli elettroni vicini puntano in direzioni opposte. Quando però si rimuovono elettroni tramite il doping, questo ordine sembra scomparire.
Per anni si è creduto che il doping distruggesse completamente l’ordine magnetico a lungo raggio. Il nuovo studio ribalta questa visione: a temperature estremamente basse, emerge una forma nascosta e sottile di organizzazione magnetica, anche nella fase di pseudogap; gli esperimenti confermano e rafforzano precedenti modelli teorici sviluppati al CCQ, già anticipati in uno studio pubblicato su Science nel 2024.
Atomi ultrafreddi per simulare la materia quantistica
Per studiare questi fenomeni, i ricercatori non hanno utilizzato materiali reali, ma hanno simulato il comportamento degli elettroni tramite il modello di Fermi-Hubbard, uno dei modelli fondamentali della fisica della materia condensata.
Il modello è stato riprodotto usando atomi di litio ultrafreddi, raffreddati a miliardesimi di grado sopra lo zero assoluto e disposti in un reticolo ottico creato con laser; grazie a un microscopio a gas quantistico, in grado di osservare singoli atomi e il loro orientamento magnetico, il team ha raccolto oltre 35.000 immagini sperimentali, coprendo un ampio intervallo di temperature e livelli di doping.
Queste tecniche permettono di osservare direttamente fenomeni collettivi che nei solidi reali sono estremamente difficili da misurare.
Un comportamento magnetico universale
Analizzando i dati, i ricercatori hanno scoperto che le correlazioni magnetiche seguono uno schema universale, se rappresentate in funzione di una particolare scala di temperatura. Sorprendentemente, questa scala coincide con la temperatura di comparsa del pseudogap.
In altre parole, il pseudogap sembra essere strettamente legato a una struttura magnetica nascosta, che sopravvive anche quando il sistema appare disordinato. Inoltre, lo studio mostra che le interazioni elettroniche non si limitano a semplici coppie di particelle: emergono correlazioni multiparticle, coinvolgendo fino a cinque elettroni contemporaneamente. Persino un singolo atomo dopante può alterare l’ordine magnetico su un’area molto più ampia del previsto.
Verso una comprensione più profonda della superconduttività
Per i teorici, questi risultati rappresentano un nuovo punto di riferimento per i modelli del pseudogap. Più in generale, lo studio avvicina la comunità scientifica a una comprensione più solida di come la superconduttività ad alta temperatura possa emergere dal comportamento collettivo degli elettroni.
La ricerca evidenzia anche quanto sia ormai fondamentale l’integrazione tra teoria, simulazioni classiche ed esperimenti quantistici e i prossimi passi prevedono il raffreddamento ulteriore dei sistemi simulati, la ricerca di nuove forme di ordine quantistico e lo sviluppo di tecniche di osservazione ancora più avanzate.
Come sottolineano gli autori, le simulazioni quantistiche analogiche stanno entrando in una fase matura, capace non solo di confermare i modelli teorici esistenti, ma anche di metterli seriamente alla prova. Un passaggio chiave per il futuro dei materiali quantistici e delle tecnologie che potrebbero derivarne.
