I superconduttori sono materiali che possono entrare in uno stato di assenza di resistenza elettrica, attraverso il quale i campi magnetici non possono penetrare. Grazie alle loro interessanti proprietà, molti scienziati e ingegneri dei materiali hanno esplorato il potenziale di questi materiali per un'ampia gamma di applicazioni elettroniche.

Un vantaggio fondamentale dei superconduttori è che possono trasportare segnali elettrici prevenendone la dissipazione, il che è particolarmente utile durante lo sviluppo di computer quantistici. Tuttavia, finora il controllo dei loro stati, come avviene comunemente con la tecnologia dei semiconduttori, si è rivelato impegnativo.

Alcuni anni fa, uno studio ha suggerito che la superconduttività dei materiali superconduttori potrebbe essere attivata e disattivata. I ricercatori dell'IBM Research di Zurigo hanno studiato ulteriormente questi risultati, nella speranza di spiegare il meccanismo di commutazione svelato da questo studio precedente. Le loro scoperte sono state recentemente descritte in un articolo pubblicato su Nature Electronics .

"I superconduttori sono, prima di tutto, metalli e i metalli schermano i campi elettrici esterni in modo molto efficace", hanno detto a Phys.org Andreas Fuhrer e Fabrizio Nichele, due dei ricercatori che hanno condotto lo studio. "Questo concetto fondamentale, che si trova in tutti i libri di testo di fisica, è stato messo in discussione da una pubblicazione del 2018. In quel lavoro, gli autori hanno affermato di aver attivato e disattivato la superconduttività in un nanofilo di titanio tramite campi elettrici moderati applicati da un vicino elettrodo di gate. "

Se confermati, i risultati raccolti nel 2018 da NEST e SPIN-CNR in Italia consentirebbero lo sviluppo di tipi completamente nuovi di dispositivi elettronici e di calcolo quantistico basati su superconduttori. Alcuni anni fa, hanno quindi deciso di svelare il meccanismo fisico microscopico che si verifica nei superconduttori di dimensioni nanometriche quando sono presenti campi elettrici.

In un articolo iniziale pubblicato nel 2021, i ricercatori hanno delineato alcuni suggerimenti iniziali sulla possibile origine della superconduttività soppressa osservata nei nanofili di titanio. Il loro nuovo studio si basa su questo documento, offrendo una spiegazione più dettagliata dei risultati raccolti dal team di NEST e SPIN-CNR.

"Il nostro lavoro precedente ha mostrato che la soppressione della superconduttività è sempre andata di pari passo con piccole correnti di dispersione che fluiscono dall'elettrodo di gate al nanofilo", hanno spiegato Fuhrer e Nichele. "Tali correnti erano molto piccole (pochi pA o 0.000.000.000.001 di Ampere), quindi potrebbero essere passate inosservate nei lavori precedenti. Per noi, era ragionevole presumere che una tale corrente sarebbe stata responsabile dell'interruzione della superconduttività, poiché l'energia di ogni elettrone trasportato dalla corrente era abbastanza grande (circa 100.000 più grande dell'energia di legame che mantiene gli elettroni in un metallo nello stato superconduttore)."

Sebbene il loro studio precedente consentisse a Fuhrer, Nichele e ai loro colleghi di avere un'idea del possibile meccanismo alla base della soppressione osservata della superconduttività, mancava ancora una serie di ingredienti chiave. L'obiettivo principale del loro recente articolo era quello di offrire una spiegazione solida e soddisfacente per il fenomeno.

"I nostri nuovi esperimenti sono completamente coerenti con il nostro primo lavoro, nel senso che dimostriamo ancora una volta che le correnti che fuoriescono dai cancelli (non i campi elettrici) sono necessarie per sopprimere la superconduttività nei nanofili metallici", hanno affermato Fuhrer e Nichele. "Tuttavia, ora abbiamo anche dimostrato che la corrente non deve necessariamente fluire dal gate al nanowire."

I ricercatori hanno ottenuto risultati simili quando la corrente di elettroni ad alta energia scorreva fuori dal filo e quando scorreva tra due elettrodi posti in prossimità del nanofilo (senza che alcun elettrone raggiungesse il nanofilo stesso). Questi risultati evidenziano il ruolo cruciale del substrato del materiale nella soppressione della superconduttività.

I dispositivi che i ricercatori hanno utilizzato nei loro esperimenti sono basati su un wafer di silicio cristallino. Questo è il substrato dove fluiscono le correnti di elettroni ad alta energia quando vengono applicate alte tensioni tra gli elettrodi.

"Mentre gli elettroni, accelerati ad alta energia dalle grandi tensioni, si muovono nel silicio, calciano continuamente gli atomi di silicio, trasferendo la loro energia alle vibrazioni nel reticolo cristallino (quelli che i fisici chiamano" fononi ")", hanno spiegato Fuhrer e Nichele. "Diversamente dagli elettroni, i fononi percorrono distanze molto lunghe nel reticolo di silicio (diversi micrometri) e possono facilmente perturbare lo stato superconduttore nel nanofilo metallico."

Il recente lavoro di Fuhrer, Nichele e dei loro colleghi mostra che, a differenza dei fotoni, i fononi agiscono come mediatori. Sulla base di questa scoperta, il team ha creato un dispositivo di commutazione costituito da una profonda trincea incisa su un substrato di silicio.

"La trincea riflette i fononi generati su un lato e scherma il nanofilo, che persiste più a lungo nello stato superconduttore", hanno detto Fuhrer e Nichele. "Le vibrazioni sono sempre presenti in un cristallo, maggiore è la temperatura più vibra il cristallo. Tuttavia, i fononi che produciamo nei nostri dispositivi hanno energie totalmente diverse da quelle risultanti da un aumento della temperatura."

Quando i ricercatori hanno condotto i loro esperimenti a temperature inferiori a 4 Kelvin, hanno scoperto che i fotoni prodotti avevano una temperatura superiore a 100 Kelvin. Questa scoperta spiega perché i dispositivi di commutazione come quello che hanno sviluppato hanno requisiti di alimentazione molto bassi rispetto agli interruttori più convenzionali.

Nel complesso, il recente lavoro di Fuhrer, Nichele e dei loro colleghi di IBM Research offre una spiegazione coerente e convincente per i risultati sperimentali pubblicati dal team di NEST e SPIN-CNR nel 2018, che in precedenza erano inspiegabili. In futuro, la loro spiegazione potrebbe aiutare a comprendere ulteriormente i superconduttori, consentendone potenzialmente l'uso per lo sviluppo di nuovi tipi di dispositivi.

"Il nostro studio contribuisce anche a una nuova generazione di dispositivi superconduttori in cui un elemento metallico può essere passato da superconduttore a resistivo in modo molto veloce ed efficiente dal punto di vista energetico", hanno affermato Fuhrer e Nichele. "Questo potrebbe trovare un'applicazione immediata nel campo della computazione quantistica, ad esempio nell'area che coinvolge l'elettronica di controllo che interfaccia i bit quantistici ai computer classici."

Nel loro articolo, Fuhrer, Nichele e i loro colleghi hanno anche introdotto un approccio per generare su richiesta elettroni e fononi ad alta energia. È noto che le particelle ad alta energia, come i raggi cosmici che colpiscono la Terra dallo spazio esterno, hanno un impatto negativo sul funzionamento dei computer quantistici. In futuro, quindi, il loro approccio potrebbe essere utilizzato anche per studiare ulteriormente gli effetti delle eccitazioni ad alta energia sulla tecnologia quantistica.

"La nostra attività principale è la realizzazione di bit quantistici", ha aggiunto. "Nei nostri prossimi articoli, vorremmo combinare il nostro elemento di commutazione con un qubit e studiare quanto vicino può essere posizionato lo switch in modo che vengano introdotte nuove funzionalità senza gli inconvenienti associati ai fononi". + Esplora ulteriormente

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