Superconduttori di Weyl: La Danza Nascosta delle Simmetrie e il Mistero del Pseudo-Meissner

Ciao a tutti, appassionati di scienza e misteri del mondo quantistico! Oggi voglio portarvi con me in un viaggio affascinante nel cuore di materiali incredibilmente strani e promettenti: i superconduttori di Weyl tridimensionali (3DWS). Immaginate un materiale dove le particelle si comportano in modi che sfidano l’intuizione, seguendo regole simili a quelle delle particelle elementari descritte decenni fa, ma all’interno di un solido! Parliamo di semimetalli di Weyl (WSM), materiali dove le bande elettroniche si toccano in punti specifici chiamati “nodi di Weyl”, dando origine a fermioni chirali, particelle con una sorta di “manualità” intrinseca (destra o sinistra).

Questi WSM sono già di per sé una meraviglia, ma cosa succede quando diventano superconduttori? Qui le cose si fanno ancora più interessanti e, devo dire, un po’ intricate. La superconduttività, lo sapete, è quello stato magico in cui la resistenza elettrica svanisce. Solitamente, la teoria che la descrive (la famosa teoria BCS) implica la formazione di coppie di elettroni (coppie di Cooper). Ma nei WSM, la natura di queste coppie è oggetto di dibattito.

Un Tuffo nel Mondo Quantistico: Cosa Sono i Superconduttori di Weyl?

Prima di addentrarci nelle simmetrie, capiamo un attimo meglio questi WSM. Sono materiali dove le eccitazioni a bassa energia si comportano come particelle di Weyl, particelle senza massa previste dalla fisica delle alte energie ma mai osservate come particelle elementari fondamentali. Questi nodi di Weyl vengono sempre in coppia, con “chiralità” opposta, un po’ come una mano destra e una sinistra. Questa chiralità è una proprietà emergente fondamentale degli elettroni nei WSM.

La cosa pazzesca è che questi materiali possono diventare superconduttori, sia intrinsecamente (come sembra accadere in MoTe2 o TaP) sia tramite l’effetto di prossimità, cioè mettendo un WSM a contatto con un superconduttore convenzionale. Qui entra in gioco l’Hamiltoniana di Bogoliubov-de Gennes (BdG), uno strumento matematico che descrive lo stato superconduttivo. Ed è proprio studiando questa Hamiltoniana e le sue simmetrie che possiamo iniziare a svelare la natura dell’accoppiamento superconduttivo nei 3DWS.

La Danza delle Simmetrie: U(1) e U(1)_A

Nel mondo della fisica, le simmetrie sono fondamentali. Ci dicono quali leggi rimangono invariate sotto certe trasformazioni. Nel nostro caso, quando il potenziale di accoppiamento superconduttivo è zero (cioè prima che si formino le coppie), l’Hamiltoniana di un 3DWS con simmetria di inversione temporale rotta ha due importanti simmetrie continue:

• La simmetria di gauge U(1): Questa è legata alla conservazione della carica elettrica. È la stessa simmetria che viene rotta nei superconduttori convenzionali.
• La simmetria assiale U(1)_A: Questa è più sottile ed è legata alla chiralità. È una simmetria che emerge a basse energie in questi sistemi, simile a quella discussa nel contesto della fisica delle particelle (modello di Nambu-Jona-Lasinio) per spiegare la massa dei nucleoni.

Queste due simmetrie, U(1) e U(1)_A, sono come due ballerini che si muovono in armonia nel sistema “normale”. Ma cosa succede quando arriva la superconduttività?

Quando le Simmetrie si Rompono: BCS vs. FFLO

Qui sta il punto cruciale. La superconduttività nasce da una rottura spontanea di simmetria (SSB). Il sistema sceglie uno stato (quello superconduttivo) che non possiede più tutte le simmetrie dello stato iniziale. È come se i nostri ballerini, all’improvviso, scegliessero una posa specifica, rompendo l’armonia iniziale.

Il modo in cui queste simmetrie vengono rotte dipende dal tipo di accoppiamento (pairing) che si instaura tra gli elettroni:

• Accoppiamento tipo BCS (internodo): Qui gli elettroni formano coppie tra nodi di Weyl di chiralità opposta. Immaginate elettroni da una “mano destra” che si accoppiano con elettroni da una “mano sinistra”. Questo tipo di accoppiamento, che indichiamo con (Delta _{textrm{B}}), è brutale: rompe entrambe le simmetrie, sia la U(1) di gauge che la U(1)_A assiale.
• Accoppiamento tipo FFLO (intranodo): Qui gli elettroni formano coppie all’interno dello stesso nodo di Weyl, cioè tra elettroni con la stessa chiralità. Questo accoppiamento, indicato con (Delta _{textrm{F}}), è più selettivo: rompe solo la simmetria di gauge U(1), lasciando intatta la simmetria assiale U(1)_A.

Questa differenza è fondamentale! Perché? Perché la natura non ama le simmetrie rotte impunemente. Quando una simmetria continua viene rotta spontaneamente, deve emergere un “modo di Nambu-Goldstone” (NG), una sorta di eccitazione collettiva senza massa, per “ripristinare” in qualche modo la simmetria a livello delle leggi fisiche complessive.

L’Eroe Nascosto: Il Modo Pseudo-Scalare di Nambu-Goldstone

Nel caso dell’accoppiamento FFLO ((Delta _{textrm{F}})), viene rotta solo la U(1) di gauge. E infatti, emerge il ben noto modo NG scalare (il “modo di fase”) tipico della superconduttività. Questo modo è responsabile, attraverso il meccanismo di Anderson-Higgs, dell’effetto Meissner (l’espulsione del campo magnetico dal superconduttore), dando massa al fotone all’interno del materiale.

Ma nel caso dell’accoppiamento BCS ((Delta _{textrm{B}})), le cose sono diverse. Vengono rotte due simmetrie. Quindi, ci aspettiamo due modi NG! Uno è il solito modo scalare legato alla rottura della U(1) di gauge. Ma l’altro? Ebbene sì, per ripristinare la simmetria assiale U(1)_A rotta, deve emergere un nuovo modo NG di tipo pseudo-scalare. “Pseudo-scalare” significa che si comporta come uno scalare (un numero) ma cambia segno sotto inversione spaziale (parità), a differenza di uno scalare vero.

Questo è un risultato affascinante! L’esistenza di questo modo pseudo-scalare è una caratteristica distintiva dell’accoppiamento tipo BCS nei 3DWS. Ma come possiamo “vederlo”?

Oltre il Meissner: L’Ipotesi Affascinante del Pseudo-Meissner

Sappiamo che il modo NG scalare interagisce con il campo elettromagnetico (fotoni) portando all’effetto Meissner. L’idea che proponiamo è che, analogamente, il nostro nuovo modo NG pseudo-scalare possa interagire con un campo “gemello” del campo elettromagnetico: un campo pseudo-magnetico (o assiale).

Cos’è questo campo pseudo-magnetico ((mathbf{{B}}^5))? Non è un campo magnetico ordinario. È un campo emergente che può essere generato nei WSM da deformazioni del reticolo cristallino (tensioni, stiramenti, ondulazioni). La cosa incredibile è che questo campo si accoppia ai fermioni di Weyl con segno opposto a seconda della loro chiralità! È un campo chirale. È stato previsto teoricamente e osservato sperimentalmente, con intensità che possono variare da 0.3 a 15 Tesla, paragonabili a quelle dei campi magnetici reali.

La nostra ipotesi è che, proprio come il modo scalare viene “mangiato” dal fotone nel meccanismo di Higgs per dare massa al campo elettromagnetico dentro il superconduttore (effetto Meissner), il modo pseudo-scalare possa essere “mangiato” dal bosone di gauge associato al campo pseudo-magnetico ((A_{mu }^5)), dando massa a quest’ultimo. Il risultato? L’espulsione del campo pseudo-magnetico dal superconduttore! Abbiamo chiamato questo fenomeno effetto pseudo-Meissner.

Come Riconoscerli? Il Pseudo-Meissner Come Firma Distintiva

Questa previsione è, secondo me, estremamente eccitante. Perché? Perché l’effetto pseudo-Meissner si verificherebbe solo se l’accoppiamento superconduttivo nel 3DWS è di tipo BCS ((Delta _{textrm{B}})), quello che rompe la simmetria chirale U(1)_A e genera il modo pseudo-scalare. Se l’accoppiamento fosse di tipo FFLO ((Delta _{textrm{F}})), la simmetria U(1)_A non verrebbe rotta, non ci sarebbe il modo pseudo-scalare e, di conseguenza, nessun effetto pseudo-Meissner!

Quindi, cercare sperimentalmente l’effetto pseudo-Meissner (cioè l’espulsione di un campo pseudo-magnetico indotto da deformazioni) potrebbe essere la chiave per risolvere finalmente il dibattito sulla natura dell’accoppiamento (BCS vs FFLO) nei superconduttori di Weyl. Ci fornirebbe uno strumento quantitativo e testabile per distinguere tra i due scenari.

Conclusioni e Prospettive Future

Abbiamo visto come lo studio delle simmetrie nei superconduttori di Weyl 3D ci porti a scoperte inaspettate. La rottura della simmetria assiale U(1)_A da parte dell’accoppiamento tipo BCS non solo è possibile, ma richiede l’esistenza di un nuovo modo di Nambu-Goldstone pseudo-scalare. Questo, a sua volta, potrebbe interagire con campi pseudo-magnetici emergenti, portando a un effetto pseudo-Meissner misurabile.

Questo apre scenari affascinanti per la ricerca futura. Oltre a fornire un test sperimentale per distinguere tra accoppiamenti BCS e FFLO, potremmo esplorare come questo nuovo modo pseudo-scalare influenzi altri fenomeni, come l’effetto Josephson (il passaggio di corrente tra due superconduttori separati da una barriera sottile). Potrebbe anche interagire con i bosoni di gauge assiali del Modello Standard della fisica delle particelle!

Insomma, il mondo dei materiali quantistici continua a sorprenderci, rivelando connessioni profonde tra la fisica della materia condensata e quella delle alte energie, e aprendo la porta a fenomeni completamente nuovi. Chissà quali altre danze segrete delle simmetrie aspettano solo di essere scoperte!

Fonte: Springer