Il NEST di Pisa sperimenta la prima batteria a fase quantica

Giu 27 2020
a cura della Redazione
Il dispositivo, frutto degli studi finalizzati alla generazione di energia non deperibile, rappresenta un importante contributo alla tecnologia quantistica, con potenziali applicazioni nei futuri supercomputer, nei sensori superconduttivi di nuova generazione, nella medicina e nelle telecomunicazioni.
Immagine artistica di una batteria a fase quantica. I poli (blu) costituiti da elettrodi superconduttivi di alluminio e il corpo centrale (rosso) formato da un nanofilo di Arsenuro di Indio. (Immagine realizzata da Andrea Iorio della Scuola Normale Superiore di Pisa)
Immagine artistica di una batteria a fase quantica. I poli (blu) costituiti da elettrodi superconduttivi di alluminio e il corpo centrale (rosso) formato da un nanofilo di Arsenuro di Indio. (Immagine realizzata da Andrea Iorio della Scuola Normale Superiore di Pisa)

La prima batteria di fase quantica è stata realizzata dai gruppi di ricerca di Francesco Giazotto dell’Istituto Nanoscienze – Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNRNano), di Sebastian Bergeret del Centro de Física de Materiales (CFM) di San Sebastian e della Scuola Normale Superiore, in collaborazione con l’Università di Salerno. Il progetto è stato sviluppato in seguito alla convenzione sottoscritta dal Dipartimento di Fisica della Scuola Normale e dal Laboratorio NEST (National Enterprise for nanoScience and nanoTechnology) di Pisa per quanto riguarda la fase sperimentale connessa alla tesi di laurea magistrale della dottoressa Ofelia Durante, con il contributo del dottor Claudio Guarcello e della professoressa Roberta Citro. I risultati del lavoro sono stati pubblicati sulla prestigiosa rivista Nature Nanotechnology, nell’articolo intitolato “A Josephson phase battery”.

La batteria ha combinato insieme materiali superconduttori e magnetici e sarà componente per le tecnologie quantistiche basate sulla coerenza di fase. Francesco Giazotto, a guida del gruppo di elettronica quantistica superconduttiva presso i laboratori NEST di CNRNano e Scuola Normale, ha spiegato: “Il dispositivo quantistico che abbiamo realizzato, capace di fornire una differenza di fase persistente, opera come una batteria quantistica che genera supercorrenti in un circuito quantico”.

Struttura della batteria

Lo studio teorico di questo dispositivo risale al 2015 e si basa sulle ricerche del gruppo di Sebastian Bergeret dell’Università dei Paesi Baschi, che ha dato poi il via alla collaborazione con il gruppo di Giazotto, il quale ha identificato una combinazione di materiali e realizzato il dispositivo.

Il dispositivo è formato da un filo di dimensioni nanometriche di arseniuro di indio (InAs) drogato di tipo “n”, che costituisce il nucleo di base della batteria (la pila), e da due elettrodi superconduttivi di alluminio che fungono da poli. Un campo magnetico esterno viene utilizzato da “interruttore”, permettendo inoltre di “caricare” la batteria. “La scelta dei materiali è stata fondamentale”, ha spiegato Elia Strambini di CNRNano, primo autore della ricerca. “È infatti grazie a ossidi e difetti presenti sulla superficie del nanofilo che si generano momenti magnetici che si polarizzano all’accensione del campo magnetico e contribuiscono all’accumulo della differenza di fase, e quindi alla carica della batteria.

Le misure di fase quantistica sono state condotte con sistemi ultra criogenici tra i più avanzati a livello internazionale.

Sviluppo della batteria a fase quantica. (Immagine da: NEST)
Sviluppo della batteria a fase quantica. (Immagine da: NEST)
Funzionalità della batteria

Sfruttando il fenomeno fisico conosciuto come “Effetto Josephson”(*) e le proprietà magnetiche dei materiali utilizzati, i ricercatori sono riusciti a creare una batteria che utilizza la fase quantistica.

Una batteria classica converte l’energia chimica in una tensione permanente che può alimentare i circuiti elettronici; allo stesso modo, una batteria di fase è un dispositivo quantico che fornisce un bias(**)di fase persistente alla funzione d’onda di un circuito quantico.

I circuiti o i dispositivi si basano su materiali superconduttori. In tali materiali, le correnti possono fluire in assenza di un voltaggio applicato e quindi senza una batteria classica. Queste correnti sono chiamate supercorrenti perché non presentano perdite di energia. Esse non sono indotte da un voltaggio, ma da una grandezza quantistica nota come differenza di fase del circuito quantico.

I prossimi passi nello sviluppo di questa batteria prevedono il suo perfezionamento, testando varianti nei materiali e nella struttura. In definitiva, questa scoperta rappresenta un contributo importante alla tecnologia quantistica che potrebbe essere applicata in futuro ai computer quantistici, ai sensori superconduttivi di nuova generazione, alla medicina e alle telecomunicazioni.

Una giunzione Josephson reale: la linea orizzontale è il primo elettrodo, mentre la linea verticale è il secondo elettrodo; il quadrato che li separa è un isolante che ha al centro, dove si incrociano i due elettrodi, una piccola apertura attraverso cui si ha la vera e propria giunzione Josephson. (Fonte: Wikipedia)
Una giunzione Josephson reale: la linea orizzontale è il primo elettrodo, mentre la linea verticale è il secondo elettrodo; il quadrato che li separa è un isolante che ha al centro, dove si incrociano i due elettrodi, una piccola apertura attraverso cui si ha la vera e propria giunzione Josephson. (Fonte: Wikipedia)

(*) L’effetto Josephson consiste nello svilupparsi di una corrente tra due superconduttori separati da una giunzione isolante, detta giunzione Josephson. Esso è dovuto all’effetto tunnel delle coppie di elettroni in ciascuno dei superconduttori. Se l’isolante è troppo largo, la probabilità di effetto tunnel è bassa e l’effetto non si verifica.

(**) Bias è un termine del linguaggio scientifico che indica tendenza, inclinazione, distorsione. In fisica e tecnica elettronica indica il valore di una variabile introdotta appositamente o sempre presente; in particolare, errore sistematico. Si chiama bias anche una tensione, un segnale e simili che servono per portare al punto corretto di funzionamento un dispositivo.

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