Superconduttività rientrante in un reticolo di giunzioni Josephson naturale sintonizzato dalla potenza in radiofrequenza

Correnti elettriche che scorrono senza spinta

La maggior parte delle volte, quando l'elettricità attraversa un filo spreca energia sotto forma di calore. I superconduttori sono materiali speciali in cui la corrente può fluire senza questa perdita, ma di solito funzionano solo in condizioni molto ristrette di bassa temperatura e campo magnetico ridotto. Questo studio esplora una variante insolita di questo comportamento, in cui un superconduttore sembra spegnersi e poi riaccendersi mentre si cambiano le condizioni, rivelando una fisica nascosta e complessa che potrebbe aiutare a progettare dispositivi quantistici futuri.

Un materiale semplice con una rete nascosta

I ricercatori si concentrano sull'alluminio granulare, un film sottile composto da innumerevoli minuscoli grani metallici superconduttori separati da sottili barriere isolanti. Insieme questi grani formano una rete naturale di collegamenti deboli per gli elettroni, nota ai fisici come un reticolo di giunzioni Josephson. Sebbene ogni collegamento sia semplice, l'intera rete può mostrare un comportamento collettivo complesso. L'alluminio granulare è interessante perché i suoi grani sono estremamente piccoli, il che rende forti gli effetti quantistici e permette agli scienziati di modulare quanto facilmente gli elettroni si muovono tra i granuli.

Usare le onde radio come manopola di regolazione

Invece di ricostruire il materiale ogni volta che volevano cambiarne le proprietà, il team ha usato la potenza in radiofrequenza come telecomando. Hanno inviato un segnale radio attraverso il dispositivo mentre facevano passare anche una piccola corrente continua e regolavano temperatura e campo magnetico. Aumentando gradualmente la potenza radio, hanno potuto spingere il sistema da uno stato uniforme e completamente superconduttivo a uno isolante, dove la corrente è fortemente bloccata e la resistenza diventa dieci volte più alta rispetto allo stato metallico ordinario non superconduttore. A basse temperature hanno inoltre osservato ampi plateaux nella tensione al variare della corrente, noti come grandi passi di Shapiro, che indicano che molti collegamenti deboli nella rete agiscono in sincronia come un'unica giunzione ben coordinata.

Un superconduttore che se ne va e poi ritorna

L'effetto più sorprendente è apparso quando il team ha mappato come la resistenza cambiasse in funzione sia della temperatura sia della potenza radio. A una certa potenza radio, il materiale è inizialmente superconduttore a temperature molto basse, poi diventa isolante al salire della temperatura e quindi, in modo del tutto inatteso, torna superconduttore a una temperatura più elevata prima di trasformarsi infine in un metallo normale. In altre parole, la conduzione perfetta scompare, riappare e poi scompare di nuovo man mano che il campione si riscalda. Un analogo ritorno della superconduttività si osserva anche quando si applica un campo magnetico nelle giuste condizioni.

Molte particelle che agiscono insieme

Per comprendere questo puzzolente ritorno della superconduttività, gli autori confrontano i loro risultati con un quadro teorico sviluppato per reti di collegamenti deboli. In questa visione non conta solo la facilità con cui la corrente fluisce tra i grani, ma anche quanto fortemente la carica elettrica è bloccata su ciascun grano. A temperature più alte, particelle cariche mobili nella rete possono schermare, o attenuare, la repulsione tra cariche, riducendo effettivamente il costo energetico per spostare carica da un grano all'altro. Anche se in genere una temperatura più alta danneggia la superconduttività, in questa rete può invece favorire lo stato cooperativo riducendo questo effetto di blocco. Questo comportamento collettivo di molte particelle va oltre ciò che mostra un singolo collegamento debole.

Perché questo è importante per la tecnologia futura

Nel complesso, le misure e la modellizzazione mostrano che un metallo granulare dall'aspetto semplice può fungere da laboratorio controllabile per stati quantistici complessi. Regolando potenza radio, temperatura e campo magnetico, lo stesso dispositivo può essere commutato tra uno stato superconduttivo rigido, uno stato isolante dominato da fluttuazioni quantistiche e uno stato superconduttivo rientrante guidato dalla schermatura a molti corpi. Questa versatilità suggerisce che i superconduttori granulari potrebbero servire come mattoni per nuovi circuiti quantistici e come sistemi modello per esplorare come grandi reti di elementi quantistici diano origine a comportamenti collettivi sorprendenti.

Citazione: Avraham, S., Sankar, S., Sandik, S. et al. Reentrant superconductivity in a naturally occurring Josephson junction array tuned by radio-frequency power. Nat Commun 17, 4734 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-71256-8

Parole chiave: superconduttività rientrante, alluminio granulare, reticolo di giunzioni Josephson, sintonizzazione in radiofrequenza, transizione di fase quantistica

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