Il comportamento quantistico gioca un ruolo cruciale nelle proprietà dei materiali nuovi ed emergenti, come la superconduttività e il magnetismo. Sfortunatamente, è ancora impossibile calcolare il comportamento quantistico sottostante, figuriamoci comprenderlo appieno. Scienziati di QuTech, il Kavli Institute of Nanoscience di Delft e TNO, in collaborazione con l'ETH di Zurigo e l'Università del Maryland, sono ora riusciti a costruire un "materiale artificiale" che imita questo tipo di comportamento quantistico su piccola scala. Così facendo, hanno posto le basi per nuove intuizioni e potenziali applicazioni. Il loro lavoro è pubblicato oggi in Natura .

Nel secolo scorso, una maggiore comprensione dei materiali semiconduttori ha portato a molti miglioramenti tecnologici, come i chip dei computer che diventano sempre più veloci e più piccoli. Noi siamo, però, raggiungendo gradualmente i limiti della legge di Moore, il trend che prevede un raddoppio della potenza di calcolo alla metà del prezzo ogni due anni. Ma questa previsione ignora la possibilità che i computer possano sfruttare la fisica quantistica.

"C'è ancora così tanta fisica da scoprire se vogliamo veramente capire i materiali su scala molto piccola, "dice Lieven Vandersypen, un professore alla TU Delft nei Paesi Bassi e il principale sperimentatore del nuovo documento. E quella nuova fisica è destinata a portare con sé ancora più nuove tecnologie. "La difficoltà è che, a questa scala, la teoria quantistica determina il comportamento degli elettroni ed è praticamente impossibile calcolare con precisione questo comportamento anche solo per una manciata di elettroni, utilizzando anche i supercomputer più potenti, "Dice Vandersypen.

Gli scienziati stanno ora combinando la potenza dell'industria dei semiconduttori con la loro conoscenza della tecnologia quantistica per imitare il comportamento degli elettroni nei materiali, una tecnica nota come simulazione quantistica. "Lo spero, nel futuro prossimo, questo ci consentirà di imparare così tanto sui materiali da poter aprire alcune importanti porte nella tecnologia, come la progettazione di superconduttori a temperatura ambiente, rendere possibile il trasporto di energia senza perdite su lunghe distanze, Per esempio, "Dice Vandersypen.

Imitando la natura

È noto da tempo che i singoli elettroni possono essere confinati in piccole regioni su un chip, noti come punti quantici. Ci sono, in linea di principio, adatto per la ricerca del comportamento e delle interazioni degli elettroni nei materiali. Gli elettroni catturati possono muoversi, o tunnel, tra i punti quantici in modo controllato, mentre interagiscono attraverso la repulsione delle loro cariche negative. "Processi come questi in punti quantici, raffreddato a una frazione di grado sopra lo zero assoluto, sono perfettamente adatti per simulare le proprietà elettroniche di nuovi materiali, "dice Toivo Hensgens, uno studente laureato alla TU Delft e l'autore principale dell'articolo.

In pratica, è una grande sfida controllare gli elettroni nei punti quantici in modo così preciso che la fisica sottostante diventa visibile. Le imperfezioni nei chip quantistici e i metodi inefficienti di controllo degli elettroni nei punti hanno reso questo un osso particolarmente difficile da rompere.

Equipaggiamento quantistico

I ricercatori hanno ora dimostrato un metodo che è sia efficace che può essere scalato fino a un numero maggiore di punti quantici. Il numero di elettroni in ciascun punto quantico può essere impostato da 0 a 4 e la possibilità di tunneling tra punti vicini può variare da trascurabile al punto in cui i punti vicini diventano effettivamente un punto grande. "Usiamo le tensioni per distorcere il paesaggio (potenziale) che gli elettroni percepiscono, " spiega Hensgens. "Quel voltaggio determina il numero di elettroni nei punti e le relative interazioni tra di loro".

In un chip quantistico con tre punti quantici, il team QuTech ha dimostrato di essere in grado di simulare sperimentalmente una serie di processi materiali. Ma il risultato più importante è il metodo che hanno dimostrato. "Ora siamo facilmente in grado di aggiungere più punti quantici con gli elettroni e controllare il potenziale panorama in modo tale da poter alla fine simulare processi quantistici molto grandi e interessanti, "Dice Hensgen.

Il team di Vandersypen mira a progredire verso più punti quantici il prima possibile. Per ottenere ciò, lui ei suoi colleghi hanno stretto una stretta collaborazione con il produttore di chip Intel. "La loro conoscenza e competenza nella produzione di semiconduttori combinata con la nostra profonda comprensione del controllo quantistico offre opportunità che ora sono destinate a dare i suoi frutti, " lui dice.