Il principio centrale della superconduttività è che gli elettroni formano coppie. Ma possono anche condensarsi in configurazioni di quattro elettroni? Recenti scoperte hanno suggerito che è possibile e un fisico del KTH Royal Institute of Technology ha pubblicato recentemente le prime prove sperimentali di questo effetto quadruplicante e il meccanismo con cui si verifica questo stato della materia.

Su Nature Physics, il professor Egor Babaev e i suoi collaboratori hanno presentato prove di quadruplicamento del fermione in una serie di misurazioni sperimentali sul materiale, a base di ferro, Ba1−xKxFe2As2. I risultati seguono quasi 20 anni la teoria di Babaev sull’esistenza di questo tipo di fenomeno e otto anni dopo aver pubblicato un articolo in cui affermava che tale fenomeno potesse verificarsi nel Ba1−xKxFe2As2.

L’accoppiamento di elettroni consente lo stato quantistico di superconduttività, uno stato di conduttività a resistenza zero che viene utilizzato negli scanner MRI e nel calcolo quantistico. Si verifica all’interno di un materiale come risultato di due elettroni che si legano piuttosto che respingersi a vicenda, come farebbero nel vuoto. Il fenomeno è stato descritto per la prima volta dalla teoria di Leon Cooper, John Bardeen e John Schrieffer, il cui lavoro è stato insignito del Premio Nobel nel 1972.

Le cosiddette coppie di Cooper sono fondamentalmente “opposti che si attraggono”. Normalmente due elettroni, che sono particelle subatomiche caricate negativamente, si respingerebbero fortemente a vicenda. Ma a basse temperature, in un cristallo, diventano vagamente legati in coppia, dando origine a un robusto ordine a lungo raggio. Le correnti delle coppie di elettroni non si disperdono più a causa di difetti e ostacoli perdendo tutta la resistenza elettrica e assumendo un nuovo stato della materia: un superconduttore.

Solo negli ultimi anni l’idea teorica dei condensati a quattro fermioni è diventata ampiamente accettata. Affinché si verifichi uno stato di quadruplicazione dei fermioni, ci deve essere qualcosa che impedisca la condensazione delle coppie e impedisca il loro flusso senza resistenza, consentendo al contempo la condensazione di compositi a quattro elettroni, dice Babaev.

Babaev dice che la chiave tra le osservazioni fatte è che i condensati quadrupli fermionici rompono spontaneamente la simmetria di inversione del tempo. In fisica la simmetria di inversione temporale descrive un evento in cui il tempo scorre all’indietro o tutti i moti sono invertiti.

Se si inverte la direzione del tempo, le leggi fondamentali della fisica sono ancora in essere. Questo vale anche per i tipici superconduttori: se la freccia del tempo è invertita, un superconduttore tipico avrebbe ancora lo stesso stato superconduttore.

“Tuttavia, nel caso di un condensato di quattro fermioni, l’inversione del tempo lo mette in uno stato diverso” (Babaev). “Probabilmente ci vorranno molti anni di ricerca per comprendere appieno questo stato”. “Gli esperimenti aprono una serie di nuove domande, rivelando una serie di altre proprietà insolite associate alla sua reazione a gradienti termici, campi magnetici e ultrasuoni, che devono ancora essere meglio compresi”.