La comprensione della superconduttività ad alta temperatura, uno dei fenomeni più affascinanti e promettenti della fisica contemporanea, ha compiuto un significativo passo avanti grazie alla scoperta di una relazione inattesa tra magnetismo e pseudogap. Quest'ultimo rappresenta una fase enigmatica della materia che emerge in alcuni materiali quantistici immediatamente prima della transizione allo stato superconduttivo, dove la corrente elettrica fluisce senza alcuna dispersione energetica. La ricerca, frutto di una collaborazione internazionale tra fisici sperimentali del Max Planck Institute of Quantum Optics in Germania e teorici del Center for Computational Quantum Physics presso il Flatiron Institute di New York, apre nuove prospettive per lo sviluppo di materiali con proprietà superconduttive utilizzabili a temperature più elevate, con enormi implicazioni per tecnologie come la trasmissione di energia a lunga distanza e il calcolo quantistico.
Il team di ricerca, i cui risultati sono stati pubblicati su Proceedings of the National Academy of Sciences, ha utilizzato un simulatore quantistico basato su atomi ultrafreddi di litio raffreddati a frazioni di miliardesimo di grado sopra lo zero assoluto. Questi atomi sono stati disposti in un reticolo ottico creato mediante luce laser, ricreando artificialmente le condizioni descritte dal modello di Fermi-Hubbard, uno schema teorico consolidato che rappresenta il comportamento degli elettroni all'interno di un materiale solido. La scelta di utilizzare atomi ultrafreddi anziché materiali reali offre un controllo sperimentale senza precedenti, permettendo di esplorare regimi fisici altrimenti inaccessibili.
Attraverso un microscopio quantistico a gas, in grado di visualizzare singoli atomi e rilevarne l'orientamento magnetico, i ricercatori hanno raccolto oltre 35.000 istantanee dettagliate del sistema. Queste immagini hanno catturato sia le posizioni degli atomi sia le correlazioni magnetiche tra di loro, mappando un'ampia gamma di temperature e livelli di drogaggio. Il drogaggio è il processo attraverso cui si rimuovono elettroni dal materiale, alterandone le proprietà elettroniche e magnetiche. Per decenni si è ritenuto che questo processo eliminasse completamente l'ordine magnetico a lungo raggio tipico dei materiali non drogati, dove gli spin elettronici si organizzano in un pattern antiferromagnetico con orientamenti alternati.
La scoperta chiave consiste nell'aver identificato che a temperature estremamente basse persiste una forma sottile di organizzazione magnetica anche in presenza di drogaggio. Come spiega Thomas Chalopin, primo autore dello studio, "le correlazioni magnetiche seguono un'unica configurazione universale quando rappresentate in funzione di una scala di temperatura specifica, e questa scala è comparabile alla temperatura dello pseudogap, il punto in cui lo pseudogap emerge". Questo risultato stabilisce un legame diretto tra lo pseudogap e strutture magnetiche nascoste che sopravvivono sotto ciò che appare come disordine.
L'analisi ha inoltre rivelato che le interazioni elettroniche in questo regime sono più complesse di semplici accoppiamenti a due particelle. Gli elettroni formano strutture correlate multiparticolari, con configurazioni che coinvolgono fino a cinque particelle simultaneamente, un livello di dettaglio raggiunto solo da pochi laboratori al mondo. Anche un singolo dopante può disturbare l'ordine magnetico su un'area sorprendentemente estesa, suggerendo che la fisica dello pseudogap coinvolge effetti collettivi su scale maggiori di quanto precedentemente ipotizzato.
Il contesto teorico di questa ricerca affonda le radici in precedenti lavori svolti presso il Center for Computational Quantum Physics, culminati in una pubblicazione su Science nel 2024. Antoine Georges, direttore del centro e coautore dello studio, sottolinea come "sia notevole che i simulatori quantistici analogici basati su atomi ultrafreddi possano ora essere raffreddati fino a temperature in cui emergono intricati fenomeni quantistici collettivi". La collaborazione tra modellizzazione teorica avanzata e sperimentazione controllata ha permesso di svelare pattern altrimenti invisibili, fornendo ai teorici un nuovo punto di riferimento fondamentale per i modelli dello pseudogap.
Lo pseudogap rappresenta da tempo uno dei nodi più complessi nella fisica della materia condensata. Nei superconduttori ad alta temperatura, la transizione allo stato superconduttivo non avviene direttamente dalla fase metallica ordinaria: il materiale attraversa prima questa fase intermedia in cui gli elettroni manifestano comportamenti anomali e il numero di stati elettronici disponibili per il trasporto di corrente si riduce. Comprendere i meccanismi dello pseudogap è quindi essenziale per decifrare l'origine della superconduttività non convenzionale e migliorare le prestazioni dei materiali.
La ricerca dimostra che rivelando l'ordine magnetico nascosto nello pseudogap, si sta identificando uno dei meccanismi potenzialmente correlati alla superconduttività stessa. Gli esperimenti futuri mirano a raffreddare ulteriormente il sistema, ricercare forme aggiuntive di ordine e sviluppare nuove tecniche di osservazione della materia quantistica. Come evidenzia Georges, "le simulazioni quantistiche analogiche stanno entrando in una fase nuova ed entusiasmante, che sfida gli algoritmi classici sviluppati al CCQ. Allo stesso tempo, questi esperimenti richiedono la guida della teoria e delle simulazioni classiche. La collaborazione tra teorici e sperimentatori è più importante che mai".
