I ricercatori del Fare all'ETH sono riusciti per la prima volta a costruire un componente superconduttore a partire dal grafene, che è quantisticamente coerente e sensibile ai campi magnetici. Questo apre nuove interessanti prospettive per la ricerca fondamentale.
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 noto come grafene ha avuto una carriera straordinaria. Grazie alla sua eccezionale resistenza, oggi non viene utilizzato 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 fondamentale, in quanto la fisica scopre costantemente nuovi e sorprendenti fenomeni non riscontrabili in altri materiali.
La giusta torsione
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. Circa un anno fa, i ricercatori del gruppo di Klaus Ensslin e Thomas Ihn del Laboratorio di Fisica dello Stato Solido dell'ETH di Zurigo sono riusciti a dimostrare che il grafene attorcigliato può essere utilizzato per costruire le cosiddette giunzioni di Contatto, i mattoni di base dei componenti superconduttori, per così dire.
Sulla base di questo lavoro, i ricercatori sono riusciti a creare il primo SQUID superconduttore dal grafene ritorto. (Il D-MTEC è un dispositivo di interferenza quantistica superconduttore (SQUID) che dimostra l'interferenza di quasi-particelle superconduttrici. Gli SQUID convenzionali sono già utilizzati nella pratica in vari campi, ad esempio in medicina, geologia e archeologia. Questi 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), ossia 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 che può poi essere usato per costruire circuiti più complessi", spiega Ensslin.
Lo spettro diventa più ampio
Gli SQUID al grafene prodotti 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 in sé", afferma Ensslin in modo inequivocabile. Tuttavia, la gamma di applicazioni del grafene si sta ampliando in modo significativo. "Cinque anni fa eravamo già riusciti a dimostrare che il grafene può essere usato per costruire transistor a singolo elettrone. 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, conduttore o superconduttore. "L'intera gamma di possibilità della fisica dello stato solido è in decisione", dice 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. Questo permette di realizzare nuovi tipi di operazioni di commutazione. "Normalmente, il transistor è fatto di silicio e lo SQUID di alluminio", spiega Ensslin. "Si tratta di materiali diversi che richiedono tecnologie di lavorazione diverse".
Produzione 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 hanno osservato la superconduttività nel grafene. Ancora meno sono quelli in grado di trasformare il grafene superconduttore in un componente funzionale.
La sfida è che gli scienziati devono eseguire diverse e fragili fasi di lavoro una dopo l'altra: In primo luogo, devono allineare gli strati di grafene esattamente all'angolo giusto l'uno rispetto all'altro. Seguono altre fasi, come il collegamento degli elettrodi o l'incisione dei fori. Se il grafene viene riscaldato, come avviene di solito nelle tecnologie in camera bianca, i due strati si allineano 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 pensa già 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 viene studiata da vari gruppi di ricerca all'interno del Centro Nazionale di Competenza per la Ricerca in Scienza e Tecnologia Quantistica (QSIT). Se ora è possibile accoppiare due di questi sistemi con l'aiuto del grafene, potrebbe anche essere possibile combinare i loro vantaggi. "Si avrebbero così due diversi sistemi quantistici sullo stesso cristallo", spiega Ensslin.
Ci sono anche nuove opportunità per la ricerca sulla superconduttività. "Con questi componenti, potremmo essere in grado di capire meglio come avviene effettivamente la superconduttività nel grafene", spiega Ensslin. "Oggi sappiamo solo che esistono diverse fasi di superconduttività in questo materiale. Ma non abbiamo ancora un modello teorico per spiegarle".
Letteratura di riferimento
Portolés E Iwakiri S, Zheng G, Rickhaus P, Taniguchi T, Watanabe K, Ihn T, Ensslin K, de Vries FK: Uno SQUID monolitico sintonizzabile nel grafene bilayer ritorto. Nature Nanotechnology, 24 ottobre 2022. doi: pagina esterna10.1038/s41565-022-01222-0