Elettrotecnica
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Diodo superconduttore
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Diodo superconduttore
Nel 2020, il Prof. Teruo Ono e i suoi colleghi dell’Università di Kyoto hanno riportato la prima osservazione di un effetto diodo superconduttore controllabile magneticamente in un superlattice (super reticolo) artificiale. Le loro scoperte, pubblicate su Nature, hanno aperto la strada ad altri studi volti alla realizzazione di circuiti elettronici non dissipativi.
In collaborazione con il Prof. Ono, un altro gruppo di ricerca dell’Università di Kyoto, in Giappone, ha recentemente condotto uno studio volto a comprendere meglio i meccanismi alla base dell’interessante effetto osservato due anni fa. Il loro lavoro, pubblicato su Physical Review Letters, ipotizza l’esistenza di un meccanismo intrinseco che potrebbe essere alla base dell’effetto diodo superconduttore riportato nel loro precedente lavoro.
“Il nostro gruppo lavora in collaborazione con il Prof. Ono, il cui gruppo di ricerca ha eseguito l’esperimento pionieristico dell’effetto diodo superconduttore di massa”, ha dichiarato a Phys.org Akito Daido, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio. “L’obiettivo del nostro recente lavoro è stato quello di chiarire il suo meccanismo, che era sconosciuto prima del nostro studio”.
L’effetto diodo superconduttore è un fenomeno che produce un tipo unico e speciale di diodo. L’elemento caratterizzante di questo diodo è che, al suo interno, la resistenza elettrica svanisce in una direzione e rimane finita nell’altra. Questa caratteristica viene definita “non reciprocità della corrente critica”.
“Suggeriamo che un possibile meccanismo che potrebbe causare l’effetto diodo superconduttore è l’effetto diodo superconduttore intrinseco, in cui la rottura delle coppie di Cooper gioca un ruolo importante”, ha spiegato Daido. “Il nostro lavoro getta le basi della comprensione teorica dell’effetto diodo superconduttore”.
Nel loro articolo, Daido e i suoi colleghi hanno chiarito la dipendenza dalla temperatura della corrente di de-pairing non reciproca vicino alla temperatura critica nei diodi superconduttori. Inoltre, evidenziano il significativo potenziamento di questo effetto a basse temperature e mostrano che il segno della corrente critica non reciproca può essere invertito quando si applicano campi magnetici maggiori a un materiale.
I ricercatori esplorano infine l’idea che l’effetto diodo superconduttore intrinseco sia alla base del diagramma di fase e delle funzionalità dei superconduttori non centrosimmetrici. In definitiva, il loro studio potrebbe migliorare la comprensione fisica di alcuni tipi di materiali superconduttori.
“Il nostro lavoro ha rivelato che l’effetto diodo superconduttore cattura una firma delle fasi superconduttrici esotiche e può essere utilizzato come sonda promettente per il loro rilevamento”, ha detto Daido. “Questo significa che l’effetto diodo superconduttore è un fenomeno interessante non solo dal punto di vista ingegneristico, ma anche dal punto di vista della fisica fondamentale”.
In futuro, il recente lavoro di Daido e dei suoi colleghi potrebbe ispirare altri team a indagare sul meccanismo intrinseco da loro proposto. In definitiva, ciò potrebbe far luce sulle basi fisiche dell’effetto unico osservato dal Prof. Ono e dai suoi colleghi.
Nei prossimi studi, i ricercatori intendono esaminare ulteriormente l’effetto proposto nel loro articolo, per delinearne ulteriormente la fisica e la dinamica. Inoltre, vorrebbero cercare di identificare altri meccanismi che potrebbero essere alla base dell’effetto del diodo superconduttore.
Bibliografia
- Akito Daido et al, Intrinsic Superconducting Diode Effect, Physical Review Letters (2022). DOI: 10.1103/physrevlett.128.037001
- Fuyuki Ando et al, Observation of superconducting diode effect, Nature (2020). DOI: 10.1038/s41586-020-2590-4
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Diodo superconduttore senza campo magnetico esterno
I superconduttori sono la chiave per il passaggio di corrente senza perdite. Tuttavia, la realizzazione di diodi superconduttori è diventata solo di recente un importante argomento di ricerca scientifica. Un gruppo di ricerca internazionale, di cui fa parte anche il fisico teorico Mathias Scheurer dell’Università di Innsbruck, è ora riuscito a raggiungere una pietra miliare: la realizzazione di un effetto diodo superconduttore senza un campo magnetico esterno, dimostrando così l’ipotesi della coesistenza di superconduttività e magnetismo. Ne danno notizia su Nature Physics.
Si parla di effetto diodo superconduttore quando un materiale si comporta come un superconduttore in una direzione del flusso di corrente e come un resistore nell’altra. A differenza di un diodo convenzionale, un diodo superconduttore presenta una resistenza completamente nulla e quindi nessuna perdita nella direzione di avanzamento. Questo potrebbe costituire la base per la futura elettronica quantistica senza dispersioni. I fisici sono riusciti a creare l’effetto diodo per la prima volta circa due anni fa, ma con alcune limitazioni fondamentali. “All’epoca, l’effetto era molto debole e veniva generato da un campo magnetico esterno, il che è molto svantaggioso per le potenziali applicazioni tecnologiche”, spiega Mathias Scheurer dell’Istituto di fisica teorica dell’Università di Innsbruck.
I nuovi esperimenti condotti dai fisici sperimentali della Brown University, descritti nell’attuale numero di Nature Physics, non richiedono un campo magnetico esterno. Oltre ai già citati vantaggi applicativi, gli esperimenti confermano una tesi precedentemente teorizzata da Mathias Scheurer: La superconduttività e il magnetismo coesistono in un sistema costituito da tre strati di grafene attorcigliati l’uno contro l’altro. Il sistema genera quindi virtualmente il proprio campo magnetico interno, creando un effetto diodo.
“L’effetto diodo osservato dai colleghi della Brown University era molto forte. Inoltre, la direzione del diodo può essere invertita con un semplice campo elettrico. Tutto ciò rende il grafene trilayer una piattaforma molto promettente per l’effetto diodo superconduttore”, chiarisce Mathias Scheurer, la cui ricerca si concentra sui materiali bidimensionali, in particolare sul grafene.
L’effetto diodo descritto in Nature Physics è stato prodotto anche con il grafene, un materiale costituito da un singolo strato di atomi di carbonio disposti a nido d’ape. Impilando diversi strati di grafene si ottengono proprietà completamente nuove, tra cui la capacità di tre strati di grafene attorcigliati l’uno contro l’altro di condurre corrente elettrica senza perdite.
Il fatto che in questo sistema esista un effetto diodo superconduttore senza un campo magnetico esterno ha grandi implicazioni per lo studio del complesso comportamento fisico del grafene a tre strati attorcigliati, poiché dimostra la coesistenza di superconduttività e magnetismo. Questo dimostra che l’effetto diodo non solo ha rilevanza tecnologica, ma ha anche il potenziale per migliorare la nostra comprensione dei processi fondamentali della fisica a molti corpi.
Fonte: Effetto diodo superconduttore a campo zero nel grafene trilayer a piccolo angolo di torsione https://doi.org/10.1038/s41567-022-01700-1
