O rivalitate ascunsă între două stări cuantice, în miezul superconductorilor
Un grup de cercetători de la Institutul Național de Cercetare Științifică (INRS) din Quebec, Canada, a adus noi dovezi că pseudogapul și superconductivitatea se află într-o relație de competiție, și nu de cooperare, potrivit unui studiu publicat în Nature Physics.
Superconductivitatea promite transmiterea electricității fără pierderi de energie. De aproape patru decenii, oamenii de știință încearcă să înțeleagă materialele care prezintă această proprietate la temperaturi relativ ridicate, iar descoperirile din acest domeniu ar putea contribui, pe termen lung, la rețele energetice mai eficiente, la tehnologii medicale avansate și la dezvoltarea calculatoarelor cuantice.
Printre cele mai promițătoare astfel de materiale se numără cuprații, o familie de compuși pe bază de cupru descoperită în 1986. Descoperirea a fost atât de importantă încât autorii ei, Bednorz și Müller, au primit Premiul Nobel pentru Fizică în anul următor. Cu toate acestea, mecanismele care fac cuprații superconductori rămân slab înțelese.
În centrul acestei enigme se află pseudogapul, o stare cuantică misterioasă al cărei rol exact continuă să genereze dezbateri. Unii cercetători consideră că pseudogapul favorizează apariția superconductivității, în timp ce alții îl văd ca pe un fenomen competitor. Această întrebare a stat la baza investigației conduse de Fabio Boschini, profesor la INRS, titular al Catedrei de Cercetare din Canada în dinamica materialelor cuantice și beneficiar al unei burse de cercetare Alfred P. Sloan.
„Pseudogapul este unul dintre marile mistere ale fizicii materiei condensate. Înțelegerea modului în care interacționează cu superconductivitatea este esențială dacă vrem să explicăm de ce aceste materiale pot transporta electricitate fără pierderi de energie la temperaturi neobișnuit de ridicate”, a declarat Boschini, specialist în spectroscopie ultrafastă a materiei condensate cuantice.
Cercetarea s-a desfășurat la Centrul de Cercetare Énergie Matériaux Télécommunications al INRS, folosind infrastructuri de cercetare precum stația de spectroscopie fotoemisionară cu rezoluție temporală și unghiulară (TR-ARPES) din cadrul Sursei Avansate de Lumină Laser (ALLS). Echipa INRS a colaborat și cu parteneri internaționali, printre care Centrul de Fizică Cuantică Computațională de la Institutul Flatiron din New York.
„Stările pseudogap și superconductoare din cuprați sunt printre cele mai complexe fenomene de reprodus teoretic. Studiul nostru arată că ele se află în competiție și oferă o nouă perspectivă asupra comportamentului lor atunci când ambele sunt excitate simultan”, a afirmat Olivier Gingras, cercetător asociat la Centrul de Fizică Cuantică Computațională al Institutului Flatiron.
O rivalitate cuantică dezvăluită cu ajutorul luminii
Pentru a înțelege mai bine rolul pseudogapului, cercetătorii au suprimat temporar superconductivitatea cu ajutorul unui puls de lumină și au observat apoi răspunsul materialului în timp real. Experimentul le-a permis să observe, pentru prima dată, un pseudogap tranzitoriu indus de lumină și să acceseze stări electronice care rămăseseră ascunse tehnicilor convenționale.
„Datorită capacităților unice ale sistemului TR-ARPES din laboratorul ALLS de la INRS, am putut observa direct ce se întâmplă atunci când superconductivitatea dispare temporar și apoi reapare. Este oarecum ca și cum am descoperi cadrele lipsă dintr-un film pe care oamenii de știință încearcă să îl reconstituie de zeci de ani”, a explicat Dario Armanno, doctorand la INRS și primul autor al studiului.
Rezultatele arată că, atunci când superconductivitatea este suprimată, pseudogapul apare în locul ei. Pe măsură ce superconductivitatea revine, pseudogapul dispare. Aceste constatări sugerează că cele două fenomene se află în competiție, nu în cooperare, contrazicând ipoteza de lungă durată potrivit căreia pseudogapul ar acționa ca un precursor al superconductivității.
„Această cercetare este esențială pentru avansarea tehnologiilor cuantice ale viitorului. Ea contribuie la formarea de personal înalt calificat într-un domeniu critic pentru suveranitatea tehnologică a Canadei și pentru implementarea Strategiei Naționale Cuantice”, a declarat François Légaré, directorul Centrului de Cercetare Énergie Matériaux Télécommunications al INRS.
Deși este vorba despre cercetare fundamentală, descoperirea reprezintă un pas important în înțelegerea unui fenomen care ar putea juca un rol-cheie în dezvoltarea superconductorilor de generație următoare și, în final, a unor tehnologii mai eficiente din punct de vedere energetic.
