Field-controlled breaking and restoration of parity-time symmetry in Josephson interference

La simmetria è la grammatica nascosta del mondo fisico, un insieme di regole che dettano come la materia si comporta e come l'energia si muove. Nel regno della fisica quantistica, dove le particelle agiscono più come onde che come oggetti solidi, queste regole sono particolarmente rigorose. Gli scienziati cercano spesso modi per rompere queste simmetrie per creare nuovi stati della materia o per costruire dispositivi che si comportino in modi insoliti. Uno degli ambiti di studio più affascinanti riguarda i superconduttori, materiali che conducono elettricità con resistenza zero. Quando due superconduttori sono separati da una sottile barriera, possono comunque "comunicare" tra loro, permettendo a una corrente di fluire attraverso il vuoto senza una batteria. Questo flusso, noto come supercorrente, è incredibilmente sensibile ai campi magnetici. Applicando un campo magnetico, i ricercatori possono far sì che questa corrente interferisca con se stessa, creando un modello di picchi e valli simile alle increspature formate quando due pietre vengono lanciate in uno stagno. Comprendere come controllare questi modelli permette agli scienziati di progettare dispositivi quantistici con proprietà specifiche e utili.

Un team di ricercatori ha ora dimostrato un modo per attivare e disattivare questi modelli di interferenza, e per cambiarne la forma, semplicemente ruotando un campo magnetico. Lavorando con un dispositivo realizzato da una sottile scaglia di un materiale chiamato tellururo di platino, racchiuso tra due elettrodi superconduttori, hanno scoperto che la direzione del campo magnetico rispetto alla corrente elettrica agisce come un interruttore principale. Quando il campo magnetico viene applicato in una direzione specifica, il modello di interferenza diventa sbilanciato, con un lato del modello di increspatura molto più grande dell'altro. Tuttavia, se ruotano il campo di novanta gradi, il modello torna istantaneamente a una forma perfettamente simmetrica, anche se il campo magnetico è ancora forte. Questa capacità di passare tra una simmetria rotta e una restaurata offre un nuovo modo per controllare il trasporto quantistico, trasformando la geometria del campo magnetico in uno strumento per riconfigurare il comportamento del dispositivo.

L'esperimento si è svolto in un laboratorio raffreddato a una temperatura appena superiore allo zero assoluto, circa 5 millikelvin, per garantire che gli delicati effetti quantistici rimanessero visibili. I ricercatori hanno costruito il loro dispositivo utilizzando una scaglia di tellururo di platino che era tra i 20 e i 40 nanometri di spessore. Hanno attaccato elettrodi superconduttori fatti di niobio-titanio su entrambi i lati della scaglia, creando una giunzione dove la supercorrente potesse fluire. Per sondare il sistema, hanno applicato un campo magnetico che aveva due componenti: una puntata dritta verso l'alto attraverso il dispositivo e un'altra distesa parallelamente al piano del materiale. Cambiando l'angolo di questo campo in piano rispetto alla direzione della corrente, potevano osservare come evolveva il modello di interferenza.

Quando non c'era un campo magnetico in piano, il dispositivo si comportava come previsto, producendo un classico modello simmetrico noto come pattern di Fraunhofer. Questo pattern presenta un grande picco centrale con picchi più piccoli e regolarmente spaziati ai lati, indicando che la supercorrente fluiva uniformemente attraverso la giunzione. Ma nel momento in cui hanno introdotto un campo magnetico in piano parallelo alla corrente, la simmetria è svanita. Il modello è diventato pesantemente distorto, con i picchi su un lato del massimo centrale che si rimpicciolivano mentre i picchi dall'altro lato crescevano. Questa asimmetria era così pronunciata che sembrava che l'immagine speculare di se stessa fosse stata ribaltata. I ricercatori hanno scoperto che questo effetto non era casuale; dipendeva interamente dall'angolo tra la corrente e il campo magnetico. Quando il campo era parallelo alla corrente, la distorsione era al suo apice. Quando hanno ruotato il campo affinché fosse perpendicolare alla corrente, il modello è tornato istantaneamente al suo stato originale e simmetrico.

Per capire perché ciò stesse accadendo, il team ha sviluppato un modello microscopico di ciò che stava avvenendo all'interno del dispositivo. Si sono resi conto che gli elettrodi superconduttori non erano solo pareti passive; essi rimodellavano attivamente le linee del campo magnetico che passavano attraverso di essi. A causa di una proprietà chiamata effetto Meissner, che causa l'espulsione dei campi magnetici da parte dei superconduttori, le linee del campo magnetico in piano erano costrette a curvarsi mentre si avvicinavano ai bordi degli elettrodi. Questa curvatura creava piccole regioni localizzate in cui il campo magnetico puntava verso l'alto in un punto e verso il basso in un altro, formando effettivamente un dipolo magnetico proprio all'interfaccia tra il superconduttore e il materiale normale.

Questi minuscoli dipoli magnetici agivano come mani invisibili, spingendo e tirando i percorsi presi dagli elettroni che fluivano attraverso la giunzione. In un materiale perfetto e privo di difetti, queste spinte si annullerebbero a vicenda. Tuttavia, i materiali reali contengono sempre del disordine — minuscole imperfezioni nella struttura atomica che disperdono gli elettroni. A causa di questo disordine, gli elettroni percorrevano sentieri diversi e tortuosi attraverso la giunzione. Alcuni percorsi campionavano la parte "su" del dipolo magnetico, mentre altri campionavano la parte "giù". Quando i ricercatori invertivano la direzione del campo magnetico principale, gli elettroni su questi diversi percorsi sperimentavano una spinta netta differente, causando lo spostamento del modello di interferenza e rendendolo asimmetrico. La forza di questo effetto dipendeva da come il campo magnetico in piano era orientato. Quando il campo era parallelo alla corrente, la curvatura delle linee del campo era massimizzata, creando forti dipoli che sconvolgevano il modello di interferenza. Quando il campo era perpendicolare, la curvatura era minimizzata, i dipoli scomparivano e la simmetria veniva restaurata.

I ricercatori sono stati attenti a escludere altre possibili spiegazioni. Hanno considerato se il materiale stesso avesse una proprietà intrinseca che favorisse una direzione rispetto a un'altra, ma i loro esperimenti hanno mostrato che l'effetto ruotava con il dispositivo, non con la struttura cristallina del materiale. Hanno anche testato il dispositivo con diverse lunghezze e orientamenti, e il comportamento è rimasto coerente, confermando che il fenomeno era guidato dalla geometria del campo e della corrente, non da un difetto specifico del campione. Inoltre, hanno utilizzato simulazioni al computer per modellare il sistema, incorporando gli effetti del disordine e del focalizzamento del campo magnetico. Queste simulazioni hanno riprodotto perfettamente i risultati sperimentali, mostrando che l'interazione tra le linee del campo magnetico curve e i percorsi disordinati degli elettroni era effettivamente la causa.

Questa scoperta stabilisce un nuovo tipo di dispositivo quantistico controllabile. Semplicemente ruotando un campo magnetico, gli scienziati possono ora commutare una giunzione superconduttrice tra uno stato in cui la simmetria è rotta e uno stato in cui è restaurata. Questa non è solo una curiosità teorica; fornisce un metodo pratico per ingegnerizzare la simmetria del trasporto quantistico. La capacità di selezionare quale operazione di simmetria viene sondata cambiando la geometria campo-corrente apre la porta a nuovi tipi di sensori e interruttori. Ad esempio, il dispositivo potrebbe essere utilizzato per rilevare l'orientamento di un campo magnetico con alta precisione o per mappare i percorsi che le supercorrenti compiono attraverso un materiale. Il lavoro evidenzia come il disordine, spesso visto come un disturbo nei sistemi quantistici, possa essere sfruttato come una caratteristica quando combinato con il giusto ambiente magnetico.

I risultati suggeriscono che il comportamento di questi dispositivi sia governato da un delicato equilibrio tra la capacità del campo magnetico di focalizzare il flusso e la natura casuale della struttura interna del materiale. I ricercatori hanno notato che questo effetto persiste fino a intensità di campo magnetico di circa 70 millitesla, un intervallo considerevole per fenomeni quantistici così delicati. Il ripristino della simmetria all'angolo perpendicolare è particolarmente robusto, restando valido anche all'aumentare dell'intensità del campo. Ciò suggerisce che il meccanismo sia stabile e affidabile, rendendolo un candidato promettente per future applicazioni nella tecnologia quantistica.

Nel contesto più ampio della fisica, questo lavoro si aggiunge alla crescente comprensione di come manipolare gli stati quantistici utilizzando campi esterni. Dimostra che la simmetria non è solo una proprietà fissa di un materiale, ma un grado di libertà dinamico che può essere sintonizzato in tempo reale. I ricercatori hanno dimostrato che, controllando l'orientamento relativo della corrente e del campo magnetico, si può effettivamente scrivere e cancellare le regole di interferenza per gli elettroni superconduttori. Questo livello di controllo è un passo significativo verso la costruzione di circuiti quantistici più sofisticati, dove la capacità di riconfigurare il comportamento di un dispositivo al volo è essenziale. Lo studio fornisce un percorso chiaro ed esperimentalmente verificato per raggiungere questo obiettivo, basato sulla fisica fondamentale dell'interazione tra campi magnetici, superconduttori e materiali disordinati.