I superconduttori sono materiali che possono raggiungere uno stato noto come superconduttività, in cui la materia non ha resistenza elettrica e non consente la penetrazione di campi magnetici. A basse temperature, questi materiali sono noti per essere isolanti termici altamente efficaci e, a causa del cosiddetto effetto di prossimità, possono anche influenzare la densità degli stati dei fili metallici o superconduttori vicini.

I ricercatori dell'Istituto Nanoscienze (CNR) e della Scuola Normale Superiore in Italia hanno recentemente sviluppato un transistor che sfrutta questa specifica qualità dei superconduttori. Il loro transistor, soprannominato un transistor di prossimità a interferenza quantistica termica superconduttore (T-SQUIPT), è stato introdotto in un articolo pubblicato su Nature Physics .

"Il nostro lavoro si colloca nel quadro della caloritronica coerente di fase che mira a immaginare e realizzare dispositivi in ​​grado di padroneggiare il trasferimento di energia in diverse architetture di tecnologia quantistica su scala nanometrica", ha detto a Phys Francesco Giazotto, uno dei ricercatori che hanno condotto lo studio .org.

L'idea principale alla base di T-SQUIPT, il transistor sviluppato da Giazotto e dai suoi colleghi, è di sintonizzare le proprietà termiche di un metallo o superconduttore controllandone le caratteristiche spettrali, attraverso il cosiddetto effetto di prossimità superconduttore. In sostanza, il transistor sfrutta la fase quantistica superconduttrice macroscopica per controllare la densità degli stati in un metallo in prossimità del superconduttore, modulandone così le proprietà di trasporto termico.

"T-SQUIPT è stato teoricamente proposto per la prima volta da alcuni degli autori del nostro recente articolo diversi anni fa, anche se senza ancora una realizzazione concreta", ha detto Giazotto. "La nostra implementazione del T-SQUIPT sfrutta un lungo nanofilo superconduttore come elemento prossimo permettendoci così di dimostrare la possibilità di mettere a punto le proprietà di trasporto termico di un superconduttore e di realizzare anche la prima cella di memoria termica."

I metalli normali sono noti per essere buoni conduttori sia di elettricità che di calore, poiché sono in grado di consentire agli elettroni contenuti nei loro cristalli di trasferire calore e carica. Al contrario, mentre i superconduttori sono buoni conduttori elettrici (cioè, mostrano resistenza zero), sono scarsi conduttori termici, poiché i principali "portatori liberi" nei loro cristalli sono coppie di Cooper. Le coppie di Cooper sono coppie cariche di elettroni che non possono trasferire calore, poiché sono di natura priva di dissipazione.

"Il concetto centrale di T-SQUIPT è un'isola nanoscopica di alluminio (Al) che può essere resa superconduttiva o simile al metallo normale con interferenza quantistica indotta da due conduttori superconduttori che definiscono un anello e posta in buon contatto metallico con l'isola", ha spiegato Giazotto.

"Per valori interi del quanto di flusso che perfora il circuito superconduttore, la superconduttività è rafforzata e l'isola si comporta come un buon isolante termico. Per valori semi-interi del quanto di flusso, la superconduttività è idealmente soppressa e l'isola si comporta come un buon conduttore termico ."

Questo design unico, introdotto per la prima volta dai ricercatori in un articolo pubblicato nel 2014, consente loro di sopprimere o rafforzare la superconduttività nel loro transistor a piacimento, semplicemente applicando un campo magnetico esterno. Di conseguenza, la conducibilità termica dell'isola di alluminio nel transistor può essere completamente manipolata, rendendola una cosiddetta valvola termica.

Nell'ambito del loro recente studio, Giazotto e colleghi hanno dimostrato questa capacità del loro transistor assorbendo il calore da un elettrodo metallico al suo interno, anch'esso accoppiato all'isola di alluminio tramite un contatto a tunnel. Nel complesso, le loro scoperte dimostrano la fattibilità di manipolare in modo coerente in fase le qualità di trasporto di energia dei dispositivi quantistici.

"T-SQUIPT apre la strada alla realizzazione di strutture in cui il controllo del trasporto di calore consente di immaginare e realizzare le controparti termiche di dispositivi elettronici, come transistor termici, memorie, porte logiche e motori termoelettrici", ha affermato Giazotto. "Da un punto di vista fondamentale, il nostro metodo dimostra anche la possibilità di studiare modalità quantistiche senza carica in sistemi a stato solido, come stati legati a Majorana e parafermioni, che non potrebbero essere rilevati dalle tecniche di trasporto di carica convenzionali."

In futuro, il transistor T-SQUIPT potrebbe aprire la strada alla realizzazione di una varietà di nuovi dispositivi. Il recente documento migliora anche l'attuale comprensione del trasferimento di energia su scala nanometrica, migliorando così potenzialmente la sua gestione.

In futuro, il recente lavoro di Giazotto e dei suoi colleghi potrebbe ispirare nuovi studi che studino le proprietà termodinamiche quantistiche nei nanosistemi superconduttori. Nei prossimi studi, il team dell'Istituto Nanoscienze (CNR) e della Scuola Normale Superiore cercherà di migliorare le prestazioni di T-SQUIPT, migliorando il design della valvola termica e utilizzando materiali superconduttori che ne consentano l'uso a temperature di pochi gradi Kelvin.

"Abbiamo anche in programma di studiare la risposta temporale della cella di memoria per studiarne il tempo di scrittura/cancellazione e la sua capacità di conservare i dati codificati per diversi giorni", ha aggiunto Giazotto. "Questo rappresenterebbe il prossimo passo cruciale per un'implementazione pratica del calcolo termico e delle architetture logiche di memoria". + Esplora ulteriormente

Il transistor termico quantistico può controllare le correnti di calore

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