Nei materiali superconduttori la corrente elettrica scorre senza alcuna resistenza. Esistono parecchie applicazioni pratiche di questo fenomeno; tuttavia, molte domande fondamentali rimangono ancora senza risposta. Il professore associato Justin Ye, capo del gruppo Device Physics of Complex Materials dell'Università di Groningen, ha studiato la superconduttività in un doppio strato di disolfuro di molibdeno e ha scoperto nuovi stati superconduttori. I risultati sono stati pubblicati sulla rivista Nature Nanotechnology il 4 novembre.

La superconduttività è stata dimostrata in cristalli monostrato, ad esempio, di bisolfuro di molibdeno o disolfuro di tungsteno che hanno uno spessore di soli tre atomi. “In entrambi i monostrati esiste un tipo speciale di superconduttività in cui un campo magnetico interno protegge lo stato superconduttore dai campi magnetici esterni”, spiega Ye. La superconduttività normale scompare quando viene applicato un grande campo magnetico esterno, ma questa superconduttività di Ising è fortemente protetta. Anche nel campo magnetico statico più forte d’Europa, che ha una forza di 37 Tesla, la superconduttività del disolfuro di tungsteno non mostra alcun cambiamento. Tuttavia, anche se è fantastico avere una protezione così forte, la prossima sfida è trovare un modo per controllare questo effetto protettivo, applicando un campo elettrico.

Nuovi stati superconduttori

Ye e i suoi collaboratori hanno studiato un doppio strato di disolfuro di molibdeno: “In quella configurazione, l’interazione tra i due strati crea nuovi stati superconduttori”. Hai creato un doppio strato sospeso, con un liquido ionico su entrambi i lati che può essere utilizzato per creare un campo elettrico attraverso il doppio strato. “Nel monostrato individuale, tale campo sarà asimmetrico, con ioni positivi da un lato e cariche negative indotte dall’altro. Tuttavia, nel doppio strato, possiamo avere la stessa quantità di carica indotta su entrambi i monostrati, creando un sistema simmetrico», spiega Ye. Il campo elettrico così creato potrebbe essere utilizzato per accendere e spegnere la superconduttività. Ciò significa che è stato creato un transistor superconduttore che potrebbe essere fatto passare attraverso il liquido ionico.

Nel doppio strato scompare la protezione Ising contro i campi magnetici esterni. “Ciò accade a causa dei cambiamenti nell’interazione tra i due strati”. Tuttavia, il campo elettrico può ripristinare la protezione. "Il livello di protezione diventa una funzione della forza con cui si blocca il dispositivo."

Coppie di Cooper

Oltre a creare un transistor superconduttore, Ye e i suoi colleghi hanno fatto un’altra osservazione interessante. Nel 1964 fu prevista l'esistenza di uno speciale stato superconduttore, chiamato stato FFLO (dal nome degli scienziati che lo predissero: Fulde, Ferrell, Larkin e Ovchinnikov). Nella superconduttività gli elettroni viaggiano in coppie in direzioni opposte. Poiché viaggiano alla stessa velocità, queste coppie di Cooper hanno un momento cinetico totale pari a zero. Ma nello stato FFLO c'è una piccola differenza di velocità e quindi la quantità di moto cinetica non è zero. Finora, questo stato non è mai stato adeguatamente studiato negli esperimenti.

"Abbiamo soddisfatto quasi tutti i prerequisiti per preparare lo stato FFLO nel nostro dispositivo", afferma Ye. “Ma lo stato è molto fragile e risente notevolmente delle contaminazioni sulla superficie del nostro materiale. Dovremo quindi ripetere gli esperimenti con campioni più puliti”.

Con il doppio strato sospeso di bisolfuro di molibdeno, Ye e collaboratori hanno tutti gli ingredienti necessari per studiare alcuni stati superconduttori speciali. “Questa è davvero una scienza fondamentale che potrebbe portarci cambiamenti concettuali”.