Se dovessi provare a recitare la tavola periodica, potresti inciampare prima di arrivare agli elementi delle terre rare.

Composto da ittrio (elemento 39) e tutto, dal lantanio (elemento 57) al lutezio (elemento 71), le terre rare sono sconosciute alla maggior parte di noi. Ma sono vitali per le tecnologie che usiamo ogni giorno, dalle luci fluorescenti a Internet.

Recentemente, abbiamo dimostrato che un elemento delle terre rare, erbio (elemento 68), può svolgere un ruolo cruciale nella futura Internet quantistica.

Cosa sono le terre rare, comunque?

Anche il nome "terre rare" è fuorviante. Infatti, gli elementi delle terre rare non sono particolarmente rari. Cerio, Per esempio, è comune come il rame.

Il nome "terre rare" è nato perché sono disperse nei minerali e sono difficili da estrarre, quindi solo piccole quantità potrebbero essere isolate. Oggi, anche se, estraiamo oltre 100, 000 tonnellate di elementi delle terre rare all'anno.

Le applicazioni degli elementi delle terre rare sono di ampia portata. Leghe metalliche, ovvero miscele – contenenti ioni di terre rare come il neodimio fanno i magneti più potenti. Sono utilizzati in tutto, dagli altoparlanti ai motori elettrici. I convertitori catalitici che riducono le emissioni nocive negli scarichi delle auto utilizzano cerio, e le batterie ricaricabili all'idruro metallico di nichel utilizzano il lantanio.

I cristalli contenenti ioni di terre rare assorbono ed emettono luce a una varietà di lunghezze d'onda utili nell'ultravioletto, visibile e infrarosso dello spettro.

Ciò significa che gli elementi delle terre rare sono comuni nell'illuminazione. Polveri di cristallo - note come fosfori - contenenti europio, terbio, e cerio sono usati per creare il rosso, verde, e pixel blu che compongono un display televisivo al plasma a colori. Sono anche mescolati insieme per creare la luce bianca da lampadine fluorescenti compatte.

Erbio e Internet

Erbio, nel frattempo, svolge un ruolo fondamentale nella rete in fibra ottica di Internet.

La maggior parte del traffico Internet globale viaggia leggero nelle fibre ottiche. Ciò consente una trasmissione veloce con perdite molto basse alla giusta lunghezza d'onda (circa 1, 500-1, 600 nanometri; un nanometro è un miliardesimo di metro).

Comunque, su lunghe distanze questa perdita - la luce che fuoriesce dalla fibra - è un grosso problema, e la luce deve essere periodicamente amplificata.

Poiché l'erbio assorbe ed emette luce a 1, 550 nanometri, esattamente nel mezzo della banda telecom in fibra, può essere utilizzato per amplificare la luce in un dispositivo chiamato amplificatore in fibra drogata con erbio (EDFA).

Le fibre ottiche sottomarine che costituiscono la spina dorsale di Internet hanno EDFA ogni 80 km circa.

L'internet quantistica

Internet consente ai computer di oggi di comunicare tra loro, ma i ricercatori stanno ora sviluppando computer quantistici. Anche qui l'erbio potrebbe svolgere un ruolo importante.

I computer quantistici fanno uso di uno degli aspetti più strani della fisica quantistica:la sovrapposizione quantistica, dove le particelle possono esistere contemporaneamente in due stati diversi - per codificare le informazioni. Per far parlare questi computer tra loro, abbiamo bisogno di un nuovo tipo di rete in grado di mantenere queste informazioni quantistiche. In altre parole, un Internet quantistico.

Per realizzare l'internet quantistica abbiamo bisogno di costruire gli analoghi quantistici di ciascun elemento nell'internet classica. L'analogo quantistico degli EDFA utilizzati come amplificatori nelle nostre attuali fibre ottiche sottomarine è chiamato ripetitore quantistico. A sua volta, questo richiederebbe memoria quantistica, che viene utilizzato per archiviare e sincronizzare il traffico di informazioni nella rete.

I ricercatori di tutto il mondo lavorano sulle memorie quantistiche da oltre un decennio, ma memorizzando informazioni quantistiche anche per 1/1, 000 di secondo è impegnativo. Abbiamo bisogno di tempi di archiviazione di almeno 1/10 di secondo per Internet quantistico.

È stato anche molto difficile creare ricordi che funzionino per la luce nella banda delle telecomunicazioni in fibra, la lunghezza d'onda richiesta per le fibre ottiche.

L'approccio migliore fino ad oggi è stato quello di costruire la memoria a una lunghezza d'onda diversa, e provare ad interfacciarlo con la banda in fibra ottica tramite, Per esempio, convertire la lunghezza d'onda della luce all'ingresso e all'uscita della memoria - una sfida in sé.

L'erbio aiuterà?

Poiché l'erbio interagisce con la luce esattamente alla giusta lunghezza d'onda, sembra la scelta più ovvia per una memoria quantistica. Però, L'erbio è scarso nell'immagazzinare informazioni quantistiche.

Il problema è che l'erbio è sensibile alle minuscole fluttuazioni del campo magnetico che si verificano nei cristalli, e questo degrada rapidamente qualsiasi informazione quantistica in essa contenuta.

Recentemente, abbiamo scoperto che l'applicazione di un ampio campo magnetico può migliorare notevolmente il tempo di conservazione quantistica di alcuni cristalli di erbio. Questo campo, che è simile a quello all'interno di una macchina per la risonanza magnetica ospedaliera, attenua le fluttuazioni del campo magnetico. Il tempo di conservazione dell'erbio può quindi migliorare di un fattore 10, 000 a più di 1 secondo.

Questo è il primo sistema compatibile con le fibre ottiche necessarie per un Internet quantistico globale che ha un tempo di archiviazione sufficientemente lungo per questa rete. I prossimi passi sono costruire ripetitori quantistici con questo sistema, e installarli su una rete di prova per misurarne le prestazioni.

Nel futuro, i materiali di erbio possono essere parte integrante dell'Internet quantistico come lo sono già per la nostra Internet attuale.

Questo articolo è stato originariamente pubblicato su The Conversation. Leggi l'articolo originale.