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Superconduttori topologici

di Stefania de Luca per Reccom Magazie

Schema di una coppia di stati interpocket, uno dei due stati superconduttori topologici proposto nell’ ultimo lavoro dal laboratorio di Eun-Ah Kim, professore associato di fisica presso la Cornell University. Il materiale utilizzato è un monostrato di Transition Metal Dichalcogenide. Credit: Eun-Ah Kim, Cornell University

Un foglio sottile di carbonio ordinario, dello spessore di un solo atomo, è stata l’invenzione che è valsa il premio Nobel per la Fisica 2010 ai suoi inventori, Andre Geim e Konstantin Novoselov. I due fisici dell’Università di Manchester, Regno Unito, hanno dimostrato che il carbonio, in questa forma piatta, possiede proprietà eccezionali che hanno origine nel mondo della meccanica quantistica, inaugurando una nuova era  nella ricerca di materiali, che si è evoluta includendo numerosi materiali simili, di spessore monoatomico, che hanno proprietà insolite grazie alla loro ‘ultra-finezza’. Tra questi ci sono Transition Metal Dichalcogenides (TMD), materiali che offrono diverse caratteristiche chiave non disponibili nel grafene e che stanno emergendo come semiconduttori di prossima generazione.

Monostrati di Transition Metal Dichalcogenide (TMDC) sono semiconduttori atomicamente sottili di tipo MX 2 , con un atomo di metallo M di transizione ( Mo , W , ecc) e atomo calcogeno X ( S , Se , o Te ). Uno strato di atomi M è inserito tra due strati di atomi X. Fanno parte della grande e nuova famiglia dei cosiddetti materiali 2D , nome usato per sottolineare la loro straordinaria ‘sottigliezza’; un monostrato di MoS 2 (Bisolfuro di Molibdeno) ha uno spessore di soli 6,5 Å.
La scoperta del grafene mostra come nuove proprietà fisiche emergano quando un cristallo bulk di dimensioni macroscopiche viene assottigliato fino a uno strato atomico. Come la grafite , cristalli bulk TMDC sono formati di monostrati legati fra loro dalla forza di Van-der-Waals . Monostrati TMDC hanno proprietà che sono nettamente differenti da quelle dei semimetalli di grafene, fra queste il tipo di gap di banda, che è diretta e possono essere utilizzati in elettronica come transistori e in ottica come emettitori e rivelatori. La sperimentazione sui TMDC è un campo di ricerca e sviluppo che emerge dopo la scoperta del gap di banda diretta e le potenziali applicazioni in elettronica.

Lo studio dei superconduttori topologici (TSC) è una nuova area nel campo della fisica della materia condensata, ed ha attirato una grande attenzione negli ultimi anni. I TMD potrebbero essere utilizzati per realizzare superconduttori topologici  e quindi fornire una piattaforma per la computazione quantistica. E’ proprio questo l’obiettivo finale del gruppo di ricerca guidato da Cornell Eun-Ah Kim, professore associato di fisica “”La nostra proposta è molto realistica – è per questo che è eccitante”, ha detto della ricerca del suo gruppo, “abbiamo una strategia teorica per materializzare un superconduttore topologico , che sarà un passo verso la costruzione di un computer quantistico.” Yi-Ting Hsu, uno studente di dottorato nel Gruppo Kim, è autore di “Topological superconductivity in monolayer transition metal dichalcogenides” pubblicato l’11 aprile su Nature Communications . Altri membri del team includono ex allievi di Kim del gruppo di Mark Fischer, ora presso l’ETH di Zurigo in Svizzera, e Abolhassan Vaezi, ora presso la Stanford University. La proposta del gruppo è che le insolite proprietà dei materiali TMD favoriscano due stati superconduttori topologici, che, se confermati sperimentalmente, apriranno nuove possibilità per la manipolazione di superconduttori topologici a temperature vicine allo zero assoluto.

L’obiettivo del gruppo è un superconduttore che opera a circa 1 grado Kelvin (circa – 272,15° C), che potrebbe essere raffreddato con elio liquido a sufficienza per mantenere il potenziale quantum computing in uno stato di superconduttore. Teoricamente, è necessario un computer quantistico abbastanza potente per giustificare la potenza necessaria per mantenere il superconduttore a 1 grado Kelvin, e IBM ha già un computer 7-qubit (quantum bit), che opera a meno di 1 Kelvin, a disposizione del pubblico attraverso la sua esperienza IBM Quantum. Un computer quantistico con circa sei volte più qubit cambierebbe radicalmentela la computazione, ha detto Kim, “Se si arriva a 40 qubit, supererà la potenza di calcolo di tutti i computer classici, e per ospitare un 40-qubit [computer quantistico] a temperatura criogenica non è un grosso problema. Sarà una rivoluzione”.

Kim e il suo gruppo stanno lavorando con Debdeep Jena e Grace Xing rispettivamente ingegnere elettrico e informatico, e Katja Nowack , fisica, attraverso un gruppo di ricerca interdisciplinare di concessione dal Centro Cornell per Materials Research. Ogni gruppo porta ricercatori provenienti da diversi reparti che lavorano insieme, con il sostegno sia dell’università sia dell programma di Material Research e centri di progettazione del National Science Foundation.

“Stiamo unendo le competenze di ingegneria di DJ e Grace, e la competenza di  Katja, in sistemi mesoscopici e superconduttori”, ha detto Kim. “Si richiedono diverse competenze peri unirsi e perseguire l’obiettivo”.

Fonte: Phys.org

Per approfondire: https://press.princeton.edu/titles/10039.html

Stefania de Luca è owner del gruppo facebook Astrofisica, cosmologia e fisica particellare

 

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