Timp de decenii, o serie de predicții formulate de fizicieni teoreticieni au rămas fără confirmare experimentală, în ciuda progreselor continue în domeniul instrumentelor științifice
Cuprins
Acum, un experiment fizic cuantic dezvoltat în Danemarca a dus la o descoperire istorică, pe care mulți o considerau improbabilă.
O publicație apărută într-o revistă științifică de prestigiu a scos la lumină o metodă inovatoare care, departe de a urma calea obișnuită, a permis accesul la un fenomen cuantic aproape imposibil de observat. Descoperirea deschide noi căi în explorarea stărilor exotice ale materiei.
Care este descoperirea istorică pe care știința o așteaptă de 65 de ani?
În 1964, fizicienii Caroli, de Gennes și Matricon au teoretic existența unor stări cuantice speciale care ar trebui să apară în vârtejurile anumitor materiale superconductoare.
Această predicție, deși fundamentată, a rămas fără o demonstrație directă. Provocarea consta în dificultatea de a distinge aceste stări în fața limitărilor experimentale ale momentului, o barieră care a rămas în picioare timp de peste șase decenii.
Obstacolul nu era teoretic, ci tehnic. Condițiile necesare pentru a observa direct așa-numitele stări CdGM necesitau o precizie energetică pe care tehnologia convențională nu o putea atinge.
Acum, cercetătorii de la Institutul Niels Bohr au găsit o abordare diferită, care permite studierea acestui fenomen cuantic fără a fi necesară detectarea lui în forma sa originală. Descoperirea istorică nu a venit pe cale directă, ci printr-o recreere controlată a scenariului în care apare.
Ce sunt stările CdGM și de ce erau invizibile?
Stările Caroli–de Gennes–Matricon (CdGM) apar în nucleul vortexurilor cuantice din interiorul supraconductorilor de tip II. În acest mediu, în care materialul își pierde temporar capacitatea supraconductoare,comportamentul particulelor se supune unor reguli diferite de cele obișnuite.
Aceste stări reflectă modul în care electronii se organizează în situații de simetrie ruptă și confinare extremă.
Principalul obstacol în detectarea lor a fost dimensiunea separării energetice dintre aceste stări, o fracțiune infimă în comparație cu scările standard ale instrumentelor actuale.
Conform articolului publicat în Physical Review Letters, separarea este de ordinul Δ/EF, o mărime care poate ajunge la o zece miime. Acest lucru face ca observarea lor să fie o sarcină practic imposibilă în materialele metalice convenționale.
Vârtejuri artificiale: asul din mânecă al oamenilor de știință din acest studiu
Confruntată cu dificultatea de a observa vârtejurile reale, echipa de la Institutul Niels Bohr a optat pentru o strategie diferită. În loc să caute fenomenul în mediul său natural, au fabricat o structură artificială care reproduce condițiile necesare pentru apariția stărilor cuantice așteptate.
Pentru aceasta, au utilizat nanocabluri de arseniură de indiu (InAs) acoperite cu un strat de aluminiu, creând o carcasă superconductor-semiconductor de formă cilindrică.
Aplicând un câmp magnetic axial acestei structuri, au reușit să inducă o deformare controlată în faza superconductoră. Acest efect simulează apariția unui vortex artificial, permițând apariția unor analogi ai stărilor CdGM. În termeni tehnici, au fost generate singularități van Hove care acționează ca replici accesibile ale stărilor cuantice originale.
În plus, acest sistem permite ajustarea parametrilor precum grosimea acoperirii sau intensitatea câmpului magnetic, oferind un control total asupra mediului cuantic simulat.
Astfel, cercetătorii pot observa și modifica comportamentul acestor stări, lucru imposibil într-un supraconductor real.
Ce este efectul Little–Parks și care a fost rolul său în experiment?
Unul dintre aspectele cheie ale experimentului este confirmarea fenomenului printr-un comportament oscilant bine documentat: efectul Little–Parks. Descoperit în 1962, acest efect arată cum temperatura critică a unui superconductor variază periodic atunci când i se aplică un flux magnetic.
În studiul danez, a fost detectată o structură lobulară în interiorul breșei de energie superconductoare a sistemului, modulată de câmpul magnetic. În zonele corespunzătoare acestor lobi, au apărut stări dispersive care se potrivesc cu predicțiile privind stările CdGM sintetice.
Asimetria observată în aceste formațiuni întărește și mai mult veridicitatea modelului. Potrivit cercetătorilor, spectrele de conductanță obținute coincid cu calculele teoretice, confirmând că nu este vorba de artefacte experimentale.
Către noi platforme cuantice
Dincolo de valoarea teoretică a descoperirii, această descoperire istorică are implicații relevante pentru ingineria materialelor cuantice. Posibilitatea de a simula vârtejuri și de a studia stările care apar în acestea într-un mediu controlat reprezintă un progres important.
În special, aceste sisteme ar putea servi drept platforme pentru simulatoare cuantice hibride, instrumente concepute pentru a modela sisteme fizice complexe.
În cuvintele fizicianului Saulius Vaitiekėnas, citat în articole de popularizare, stările nu au fost obiectivul inițial al experimentului, ci un rezultat emergent al studiului altor proprietăți. Odată identificată natura lor, cercetătorii au înțeles că acestea ar putea reprezenta o cale pentru dezvoltarea de noi strategii de control cuantic.
O descoperire istorică și internațională: astfel au atins imposibilul
Această realizare nu este opera unei singure echipe, ci rezultatul unei colaborări internaționale care a implicat cercetători din Danemarca, Spania și Statele Unite.
Dezvoltarea modelului teoretic a fost combinată cu tehnici de nanofabricație, precum depunerea epitaxială de aluminiu și utilizarea porților de tensiune pentru a modula potențialul electrostatic.
Precizia atinsă în proiectarea și construcția sistemului a fost esențială. Detalii precum grosimea aluminiului sau orientarea exactă a câmpului magnetic au făcut diferența.
Experimentul este un exemplu al modului în care cercetarea în fizica cuantică se construiește prin mici îmbunătățiri cumulative care, în timp, permit confirmarea previziunilor care păreau de neatins.
