La superconduttività “triplet”: il tassello mancante per rendere i computer quantistici una realtà industriale

Siamo abituati a leggere annunci roboanti sui computer quantistici, descritti come la panacea di tutti i mali tecnologici futuri. La realtà, nota agli addetti ai lavori, è un po’ diversa: la tecnologia attuale è frustrantemente instabile e prigioniera di enormi inefficienze energetiche. Tuttavia, la soluzione a questo rebus ingegneristico potrebbe essere appena arrivata.

Un team internazionale di ricercatori, con una fondamentale partecipazione italiana per la parte sperimentale, ha pubblicato sulla prestigiosa rivista Physical Review Letters uno studio che potrebbe cambiare le carte in tavola. Il gruppo, guidato dal professor Jacob Linder del centro di ricerca QuSpin della NTNU (Norvegia), è sulle tracce di quello che in fisica dello stato solido viene considerato un vero e proprio “Santo Graal”: il superconduttore triplet.

Cos’è la superconduttività “triplet” e perché fa la differenza

Per capire la portata industriale di questa scoperta, dobbiamo fare un passo indietro. I superconduttori convenzionali, ampiamente utilizzati oggi nella risonanza magnetica o negli acceleratori di particelle, riescono a trasportare l’elettricità senza alcuna resistenza elettrica. Sono molto utili, ma non sempre sufficientemente efficienti per le sfide future.

Questi materiali tradizionali sono definiti superconduttori “singlet”. In termini molto semplici, gli elettroni si accoppiano in modo tale che il loro “spin” (una proprietà quantistica assimilabile a una rotazione) si annulli a vicenda.

Nei superconduttori triplet, al contrario, le particelle superconduttrici mantengono e allineano il loro spin, cioè girano tutte nella stessa direzione.

Materiali superconduttori singlet, a sinistra e triplet a destra: comportamento degli elettroni

Questa caratteristica, apparentemente per soli fisici teorici, ha una conseguenza pratica immensa: permette di trasportare non solo correnti elettriche, ma anche “correnti di spin” con resistenza assolutamente pari a zero.

Il vantaggio decisivo per l’informatica quantistica

L’applicazione di questa scoperta nell’ambito dei computer quantistici risolve due problemi strutturali:

• Efficienza energetica assoluta: Poter trasportare informazioni tramite lo spin senza perdere energia significa poter far funzionare macchine di calcolo ultra-veloci consumando una frazione infinitesimale dell’elettricità attuale. Niente resistenza significa niente calore da dissipare.
• Stabilità del calcolo (La particella di Majorana): I superconduttori triplet possono essere utilizzati per creare una particella estremamente esotica, la “particella di Majorana”. La sua particolarità? È l’antiparticella di se stessa. Questa bizzarra anomalia quantistica permette di eseguire calcoli in modo intrinsecamente stabile, proteggendo i delicati qubit dalle interferenze esterne che oggi causano continui errori nei calcolatori quantistici.

L’esperimento sulla lega NbRe: quando -266°C sono considerati “i tropici”

Il team di Linder, in stretta collaborazione con i colleghi italiani, ha dimostrato che un materiale specifico, la lega NbRe (Niobio-Renio), mostra proprietà del tutto coerenti con la superconduttività triplet. Dal punto di vista delle risorse, il Niobio è un metallo relativamente raro (estratto anche in Norvegia), mentre il Renio è ancora più raro e costoso.

Per sondare la presenza di queste speciali coppie quantistiche, i ricercatori hanno fabbricato una struttura minimale e intelligente: tre strati alternati (ricoperti da uno strato di materiale antiferromagnetico . Le misurazioni magnetiche ed elettriche hanno rivelato un “effetto spin-valve inverso”, una firma tecnica che indica la presenza di superconduttività triplet intrinseca nella lega NbRe, senza bisogno di manipolazioni artificiali complesse alle interfacce.

C’è un ultimo dettaglio che merita una nota. Questo materiale diventa superconduttore a una temperatura di 7 Kelvin. Per noi comuni mortali si tratta di ben -266°C. Eppure, per un fisico abituato a cercare questi effetti a frazioni di grado sopra lo zero assoluto (-273,15°C), 7 Kelvin sono considerati una “temperatura elevata”, quasi tropicale e decisamente più gestibile a livello industriale. La disponibilità del NbRe sotto forma di film sottile lo rende, quindi, una piattaforma altamente scalabile per l’industria della spintronica. La strada per il vero computer quantistico è ancora lunga, ma forse abbiamo appena trovato la bussola giusta.

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