(Immagine: Pixabay CC0)I ricercatori sono riusciti per la prima volta a costruire dal grafene un componente superconduttore coerente dal punto di vista quantistico e sensibile ai campi magnetici. Questo apre nuove interessanti prospettive per la ricerca di base.
Sono passati meno di 20 anni da quando Konstantin Novoselov e Andre Geim riuscirono per la prima volta a produrre cristalli piatti bidimensionali composti da un solo strato di atomi di carbonio. Da allora, il materiale chiamato grafene ha avuto una carriera straordinaria. Grazie alla sua eccezionale resistenza, oggi viene utilizzato non solo per rinforzare prodotti come racchette da tennis, pneumatici per auto o ali di aerei. Il grafene è anche uno stimolante oggetto di studio per la ricerca di base, in quanto i fisici continuano a scoprire nuovi e sorprendenti fenomeni non riscontrabili in altri materiali.
La giusta rotazione
I ricercatori sono particolarmente interessati ai cristalli di grafene a due strati in cui i due strati atomici sono leggermente attorcigliati l’uno contro l’altro. Ad esempio, circa un anno fa i ricercatori del gruppo di Klaus Ensslin e Thomas Ihn del Laboratorio di Fisica dello Stato Solido del Politecnico di Zurigo sono riusciti a dimostrare che il grafene attorcigliato può essere utilizzato per costruire le cosiddette giunzioni Josephson, i mattoni di base dei componenti superconduttori.
Sulla base di questo lavoro, i ricercatori sono riusciti a produrre il primo dispositivo di interferenza quantistica superconduttore (SQUID) a partire dal grafene ritorto, che dimostra l’interferenza di quasiparticelle superconduttrici. Gli SQUID convenzionali sono già utilizzati nella pratica in vari campi, ad esempio in medicina, geologia o archeologia. I sensori sensibili sono in grado di misurare le più piccole variazioni dei campi magnetici. Tuttavia, gli SQUID funzionano solo con materiali superconduttori, motivo per cui devono essere raffreddati con elio o azoto liquido durante il funzionamento.
Nella tecnologia quantistica, gli SQUID sono utilizzati come bit quantistici (qubit), cioè come elementi con cui è possibile eseguire operazioni quantistiche. "Gli SQUID sono per la superconduttività quello che i transistor sono per la tecnologia dei semiconduttori: il componente di base da cui si possono poi costruire circuiti più complessi", spiega Ensslin.
Lo spettro diventa più ampio
Gli SQUID al grafene realizzati dal dottorando Elías Portolés non sono più sensibili degli SQUID convenzionali in alluminio e devono essere raffreddati a basse temperature, meno di 2 gradi sopra lo zero assoluto. "In questo senso, non si tratta di una svolta per la tecnologia SQUID di per sé", afferma Ensslin in modo inequivocabile. Tuttavia, la gamma di applicazioni del grafene si è notevolmente ampliata. "Siamo stati in grado di dimostrare già cinque anni fa che è possibile costruire i cosiddetti transistor a singolo elettrone con il grafene. Ora si aggiunge la superconduttività", spiega Ensslin.
È notevole che il comportamento del grafene possa essere controllato in modo specifico dall’elettrodo collegato. A seconda della tensione applicata, il materiale è isolante, conduttivo o superconduttore. "È disponibile l’intera varietà di possibilità della fisica dello stato solido", afferma Ensslin.
È interessante anche il fatto che sia ora possibile combinare i due componenti fondamentali di un semiconduttore (transistor) e di un superconduttore (SQUID) in un unico materiale. Ciò consente di costruire nuove operazioni di commutazione. "Normalmente, il transistor viene realizzato in silicio e lo SQUID in alluminio", spiega Ensslin. "Si tratta di materiali diversi che richiedono tecnologie di lavorazione diverse".
Fabbricazione estremamente impegnativa
Sebbene la superconduttività nel grafene sia stata scoperta cinque anni fa da un gruppo del MIT, ci sono forse solo una dozzina di gruppi sperimentali in tutto il mondo che osservano la superconduttività nel grafene. Ancora meno sono quelli in grado di trasformare il grafene superconduttore in un componente funzionale.
La sfida consiste nel fatto che gli scienziati devono eseguire diversi passaggi fragili in successione: In primo luogo, devono regolare gli strati di grafene esattamente all’angolo giusto l’uno rispetto all’altro. Poi vengono le altre fasi, come il collegamento degli elettrodi o l’incisione dei fori. Se si dovesse riscaldare il grafene a questo scopo, come avviene di solito con le tecnologie della camera bianca in diverse occasioni, i due strati si allineerebbero immediatamente di nuovo parallelamente l’uno all’altro. "È quindi necessario adattare l’intera tecnologia standard dei semiconduttori", spiega Portolés. "Questo rende il compito estremamente impegnativo".
Sistemi ibridi come visione
Ensslin sta già pensando a un passo avanti: "Al momento si stanno studiando tecnologie molto diverse per i qubit, tutte con vantaggi e svantaggi. La maggior parte di queste tecnologie è oggetto di studio da parte di vari gruppi di ricerca all’interno del Centro Nazionale di Competenza per la Ricerca in Scienza e Tecnologia Quantistica (QSIT). Ora, se il grafene può essere usato per accoppiare due di questi sistemi, potrebbe essere possibile combinare i loro vantaggi. "Si avrebbero così due sistemi quantistici diversi sullo stesso cristallo", spiega Ensslin.
Nuove possibilità si aprono anche per la ricerca sulla superconduttività. "Con questi componenti, forse riusciremo a capire meglio come si verifica la superconduttività nel grafene", afferma Ensslin. "Oggi sappiamo solo che in questo materiale esistono diverse fasi di superconduttività. Ma non abbiamo ancora un modello teorico per spiegarli".
Riferimento alla letteratura
Portolés E Iwakiri S, Zheng G, Rickhaus P, Taniguchi T, Watanabe K, Ihn T, Ensslin K, de Vries FK: Uno SQUID monolitico sintonizzabile in grafene bilayer ritorto. Nature Nanotechnology, 24 ottobre 2022. doi: pagina esterna 10.1038/s41565’022 -01222-0.
