Thomas-Fermi screening of electrostatic fields in a type-I superconductor
Utilizzando la microscopia a forza atomica qPlus e la microscopia a effetto tunnel su Pb(111) monocristallino, questo studio dimostra sperimentalmente che lo screening elettrostatico in un superconduttore di tipo I rimane governato dalla lunghezza di Thomas-Fermi piuttosto che dalla profondità di penetrazione di London, contraddicendo così la teoria alternativa di J. E. Hirsch e confermando che la risposta longitudinale rimane invariata all'entrare nello stato superconduttore.
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Per quasi un secolo, i fisici si sono affidati a un insieme di regole per descrivere come si comportano i superconduttori. Questi materiali, che conducono elettricità senza alcuna resistenza, sono famosi per espellere i campi magnetici, un fenomeno noto come effetto Meissner. Questa espulsione avviene perché il superconduttore crea uno scudo che spinge lontano le linee di forza del campo magnetico, ma solo su una specifica distanza chiamata profondità di penetrazione di London. Per decenni, la visione standard è stata che, sebbene i superconduttori siano molto bravi a bloccare i campi magnetici, non cambiano il modo in cui gestiscono i campi elettrici statici. Secondo questa comprensione tradizionale, un campo elettrico vicino a un superconduttore viene schermato, o bloccato, su una distanza incredibilmente breve, circa la larghezza di un singolo atomo, proprio come accade in un metallo normale. Tuttavia, qualche anno fa, un fisico di nome J. E. Hirsch ha proposto un'idea diversa. Egli suggerì che le regole che governano il modo in cui un superconduttore blocca i campi elettrici potrebbero essere le stesse dei campi magnetici. Se la sua teoria fosse stata corretta, la distanza su cui un superconduttore blocca un campo elettrico diventerebbe improvvisamente molto più lunga quando il materiale si raffredda e diventa superconduttore, passando dalla larghezza di un atomo a una distanza migliaia di volte maggiore. Questa possibilità ha scatenato un dibattito perché avrebbe significato che la nostra comprensione fondamentale di come funzionano questi materiali deve essere riscritta, con potenziali conseguenze per i futuri dispositivi elettronici che si affidano al controllo dei superconduttori tramite campi elettrici.
Un team di ricercatori dell'Università di Nottingham ha deciso di risolvere questa questione osservando direttamente la superficie di un superconduttore. Hanno scelto un singolo cristallo di piombo, un metallo che diventa superconduttore quando viene raffreddato a temperature estremamente basse. Per testare le idee contrastanti, avevano bisogno di misurare come il materiale rispondeva a un debole campo elettrico proprio sulla sua superficie. Hanno utilizzato uno strumento altamente sensibile chiamato microscopio a scansione a effetto tunnel, che può percepire le forze tra una punta affilata e una superficie, e anche misurare il flusso di elettroni. I ricercatori hanno raffreddato il loro campione di piombo a circa 340 millikelvin, una temperatura così fredda che è solo il cinque per cento del punto in cui il piombo normalmente diventa superconduttore. A questa temperatura, il materiale si trova saldamente nel suo stato superconduttore. Per confrontare questo stato con uno normale, hanno applicato un campo magnetico di 200 millitesla alla superficie. Questo campo magnetico era abbastanza forte da distruggere la superconduttività, riportando il piombo a essere un metallo normale senza cambiare la temperatura o la posizione della punta del microscopio. Alternando l'accensione e lo spegnimento del campo magnetico, potevano osservare esattamente lo stesso punto sulla superficie sia nello stato superconduttore che in quello normale.
Il team ha misurato due cose diverse per vedere se la schermatura elettrica fosse cambiata. Per prima cosa, hanno misurato la forza tra la punta del microscopio e il campione mentre muovevano la punta in avvicinamento e allontanamento. Se il campo elettrico fosse stato schermato su una distanza molto più lunga nello stato superconduttore, come previsto da Hirsch, la forza avvertita dalla punta sarebbe cambiata sensibilmente. Hanno effettuato decine di misurazioni nello stesso punto, mediando i risultati per ottenere un quadro chiaro. I dati hanno mostrato che la forza era esattamente la stessa, sia che il piombo fosse superconduttore, sia che fosse normale. La differenza tra i due stati era così piccola da essere sepolta nel rumore naturale della misurazione, troppo insignificante per supportare l'idea di uno scudo elettrico a lungo raggio.
Per essere assolutamente certi, i ricercatori hanno utilizzato un secondo metodo indipendente. Hanno osservato l'energia degli elettroni che saltano dalla punta al campione, un processo che crea schemi distinti chiamati risonanze di emissione di campo. Questi schemi agiscono come un'impronta digitale dell'ambiente elettrico proprio sulla superficie. Se la lunghezza di schermatura elettrica fosse cambiata, i livelli di energia di questi elettroni si sarebbero spostati. I ricercatori hanno confrontato gli schemi di energia in questi stati, confrontando lo stato superconduttore con quello normale. Gli schemi si sovrapponevano perfettamente, senza alcuno spostamento misurabile di energia. Ciò ha confermato che il campo elettrico veniva bloccato su una distanza altrettanto breve in entrambi gli stati.
I risultati sono stati definitivi. I ricercatori hanno scoperto che la variazione della schermatura elettrica tra lo stato normale e quello superconduttore era inferiore all'uno percento. Questo è centinaia di volte più piccolo di quanto previsto dalla teoria di Hirsch. I dati hanno escluso l'idea che la lunghezza di schermatura si espanda alle dimensioni dello scudo magnetico quando il materiale diventa superconduttore. Inveve, i risultati supportano la visione tradizionale: l'effetto Meissner, che blocca i campi magnetici, è un fenomeno separato che non influenza il modo in cui il materiale blocca i campi elettrici statici. Il campo elettrico continua a essere schermato sulla minuscola distanza di un singolo atomo, indipendentemente dal fatto che il materiale sia un superconduttore o un metallo normale. Questo lavoro chiude il capitolo su questo specifico dibattito teorico, confermando che le regole per i campi elettrici e magnetici nei superconduttori rimangono distinte, anche al livello più fondamentale.
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