Prove a favore della superconductività di parità dispari sostenuta dall’antiferromagnetismo nel metallo pesante YbRh2Si2

Un metallo strano che diventa un superconduttore speciale

La maggior parte dei superconduttori suona già esotica: conducono elettricità senza resistenza quando raffreddati a temperature molto basse. Ma una famiglia ancora più rara, chiamata superconduttori topologici, potrebbe un giorno fornire i mattoni per tecnologie quantistiche robuste. In questo studio, i ricercatori esplorano un composto metallico insolito, YbRh2Si2, raffreddato a pochi millesimi di grado sopra lo zero assoluto, e trovano prove che ospita un tipo raro di superconduttività strettamente legato alla sua magnetizzazione interna.

Perché questo materiale è insolito

YbRh2Si2 appartiene a una classe di materiali noti come metalli a fermioni pesanti, dove gli elettroni si comportano come se fossero centinaia di volte più pesanti del normale a causa di forti interazioni. A temperature molto basse, questo composto sviluppa una forma delicata di antiferromagnetismo, in cui i momenti atomici vicini si allineano in direzioni opposte. Misure precedenti suggerivano che la superconductività compare in questo ambiente particolare, ma la natura dell’accoppiamento che consente il flusso di corrente senza resistenza rimaneva poco chiara, e i segnali superconduttivi erano deboli e dipendenti dal campione.

Ascoltare le correnti elettriche a temperature ultra-basse

Per scoprire cosa stava accadendo, il team ha sviluppato un metodo ultrasensibile per misurare la risposta elettrica di piccoli cristalli singoli a temperature sotto i 10 millikelvin. Hanno utilizzato un dispositivo a interferenza quantistica superconduttiva, o SQUID, per sondare l’impedenza elettrica complessa, che cattura sia la resistenza sia gli effetti induttivi mentre si variano temperatura e campo magnetico. Queste misure hanno rivelato confini netti dove regioni all’interno di ciascun campione passano dal comportamento normale a quello superconduttivo, permettendo ai ricercatori di mappare più stati superconduttivi in funzione del campo magnetico applicato sia nei piani cristallini sia lungo l’asse del cristallo.

Il magnetismo come aiuto e guardiano

I diagrammi di fase risultanti mostrano che la superconductività in YbRh2Si2 è stabile solo quando il materiale è magneticamente ordinato. Quando lo stato antiferromagnetico principale, chiamato AFM1, viene distrutto da un campo magnetico applicato, la superconductività scompare anch’essa bruscamente. A temperature ancora più basse appare un secondo pattern magnetico, che coinvolge sia spin elettronici sia nucleari disposti in una struttura ondulatoria. In modo sorprendente, l’insorgere di questa onda di densità di spin elettro-nucleare produce un improvviso rafforzamento della risposta superconduttiva, osservato come una diminuzione dell’induttanza cinetica degli elettroni e un aumento della scala di campo a cui la superconductività viene distrutta.

Indizi sul tipo di coppie superconduttive

Seguendo come la temperatura critica dipende dal campo magnetico, i ricercatori hanno potuto determinare quando la superconductività è limitata dall’allineamento magnetico degli spin degli elettroni, una restrizione nota come limite di Pauli. Alcune regioni superconduttive nei campioni seguono questo limite per campi applicati nel piano del cristallo, mentre altre sopravvivono ben al di là di esso. Questo comportamento selettivo suggerisce con forza che le coppie di Cooper siano in uno stato spin-triplet, dove gli spin si allineano anziché opporsi. Il pattern della dipendenza dal campo indica in particolare uno stato cosiddetto elicoidale, una sorta di fase superconduttiva topologica che è insensibile ai campi lungo l’asse del cristallo ma sensibile ai campi nel piano.

Come un’onda magnetica rafforza le coppie

Per spiegare l’improvviso rafforzamento della superconductività quando compare l’ordine magnetico elettro-nucleare, gli autori propongono che lo stato superconduttivo elicoidale si accoppi a un pattern compagno chiamato onda di densità di coppia. In questo quadro, l’onda magnetica diffrange le coppie elettroniche, creando uno stato compagno a modulazione spaziale che abbassa l’energia del sistema e rafforza effettivamente il gap superconduttivo. Le regioni del cristallo che già ospitano lo stato elicoidale lo vedono rinforzato, mentre altre regioni vengono spinte in superconductività esattamente alla temperatura in cui si stabilisce l’ordine elettro-nucleare.

Cosa significa per i materiali quantistici futuri

Nel complesso, gli esperimenti forniscono forti prove che YbRh2Si2 ospita una superconductività di parità dispari, spin-triplet, la cui esistenza e intensità sono controllate da due tipi intrecciati di ordine antiferromagnetico. Una delle fasi superconduttive corrisponde al profilo di uno stato elicoidale topologico, parente stretto di fasi studiate a lungo nel elio superfluido-3. Sebbene la superconductività sia attualmente fragile e spazialmente non uniforme, il materiale offre una piattaforma rara e regolabile dove magnetismo e accoppiamento topologico possono essere studiati fianco a fianco, con la prospettiva che un miglior controllo dei campioni potrebbe un giorno renderlo un ospite pratico per stati quantistici esotici.

Citazione: Levitin, L.V., Knapp, J., Knappová, P. et al. Evidence for odd-parity superconductivity underpinned by antiferromagnetism in heavy-fermion metal YbRh₂Si₂. Nat. Phys. 22, 713–719 (2026). https://doi.org/10.1038/s41567-026-03247-x

Parole chiave: superconduttività topologica, accoppiamento spin-triplet, metallo a fermioni pesanti, antiferromagnetismo, onda di densità di coppia