Il CNR Nano di Pisa, insieme all’Università di Salerno, ha dato vita alla prima batteria di fase quantistica. Il lavoro pubblicato sulla rivista Nature Nanotechnology

I risultati della ricerca sulla prima batteria di fase quantistica sono stati pubblicati sulla prestigiosa rivista Nature Nanotechnology e sono il risultato della collaborazione tra il Dipartimento di Fisica “E.R. Caianiello” dell’Università di Salerno (DF), diretto dal prof. Salvatore De Pasquale, ed i gruppi di Francesco Giazotto (Laboratorio NEST, Pisa) e di Sebastian Bergeret (Centro di Fisica dei Materiali CFM, San Sebastian, Paesi Baschi). Questo importante traguardo è stato ottenuto nell’ambito della convenzione sottoscritta dal DF ed il NEST di Pisa per l’attività sperimentale connessa alla tesi di laurea magistrale della Dr.ssa Ofelia Durante, con i contributi del Dr. Claudio Guarcello e della prof.ssa Roberta Citro. Il lavoro si inquadra nelle attività di ricerca in superconduttività ed in fisica dello stato solido sviluppate dal nostro Dipartimento di Fisica.

Il dispositivo è costituito da un nanofilo di arsenuro di indio (InAs) a contatto con conduttori superconduttori in alluminio ed è un elemento chiave per le tecnologie quantistiche basate sulla coerenza di fase. Il lavoro è stato pubblicato sulla prestigiosa rivista Nature Nanotechnology (2020).

Le batterie appartengono alla vita di tutti i giorni. Una batteria classica, la pila di Volta, converte l’energia chimica in una tensione che può alimentare i circuiti elettronici. In molte tecnologie quantistiche, i circuiti o i dispositivi si basano su materiali superconduttori. In tali materiali, le correnti possono fluire senza la necessità di una tensione applicata; pertanto, non è necessaria una batteria classica in un tale sistema. Queste correnti sono chiamate supercorrenti perché non presentano alcuna perdita di energia.

Non sono indotti da una tensione ma da una differenza di fase della funzione d’onda del circuito quantico, che è direttamente correlata alla natura ondulatoria della materia. Tale che un dispositivo quantico in grado di fornire una differenza di fase persistente può essere visto come una batteria di fase quantica, che induce supercorrenti in un circuito quantico.

Il risultato è uno sforzo collaborativo tra Sebastian Bergeret, che nel 2015 ha concepito il dispositivo da un punto di vista teorico, e Francesco Giazotto ed Elia Strambini di CnrNano, che hanno identificato un’adeguata combinazione di materiali e fabbricato la prima batteria a fase quantica. Il nucleo della batteria è costituito da un nanofilo InAs drogato n che forma il nucleo della batteria (il mucchio) e cavi superconduttori Al come poli. La batteria viene caricata applicando un campo magnetico esterno, che può quindi essere spento.

La scelta dei materiali è stata fondamentale. Infatti, è attraverso la presenza di ossidi e difetti sulla superficie del nanofilo che vengono generati momenti magnetici e la loro polarizzazione viene efficacemente convertita in un bias di fase persistente. Le misure di coerenza della fase quantistica sono state condotte dal team CnrNano – insieme all’Università di Salerno, con ultra-sistemi criogenici tra i più avanzati al mondo.