Un team di ricercatori dell’istituto Riken e dei laboratori Nec (Giappone), coordinato da Oleg Astafiev, ha recentemente pubblicato su Nature la prima osservazione diretta dello “Slittamento Quantistico di Fase Coerente (CQPS)”, un fenomeno quantistico ampiamente previsto nell’ambito della teoria della superconduttività ma mai confermato sperimentalmente fino ad oggi. Apparentemente sembra una notizia riservata ai teorici, in realtà, oltre a costituire un significativo risultato nel campo della fisica fondamentale, spalanca le porte allo sviluppo di nuovi dispositivi quantistici che utilizzano materiali superconduttori a 100 anni dalla loro scoperta.
Il fenomeno CQPS è infatti l’analogo magnetico del più conosciuto “effetto Josephson”, che consiste nel trasferimento coerente di carica elettronica, per effetto tunnel, tra due superconduttori separati da una sottile barriera isolante: un evento impossibile dal punto di vista della meccanica classica (corrisponderebbe alla possibilità di passare indisturbati attraverso un muro) ma probabile nella trattazione quantistica che prevede che una particella abbia una probabilità, piccola ma finita, di attraversare spontaneamente una barriera.
Anche in questo caso la teoria ha preceduto la realtà (Nobel per la Fisica a Brian David Josephson nel 1973) e ha dato vita ad importanti applicazioni quali elementi logici di computer quantici, sensori di radiazione e particelle, standard di tensione e dispositivi SQUID (Superconducting Quantum Interference Devices) in grado di misurare campi magnetici estremamente deboli (10-14 Tesla) impiegati in sofisticati magnetometri per magnetoencelografia, magnetocardiografia, geomagnetismo, ispezioni della crosta terrestre per il rilevamento di giacimenti di fonti fossili e sensori di impurezze magnetiche.
A differenza dell’effetto Josephson, il CQPS prevede il trasferimento coerente di quanti di flusso magnetico tra due materiali isolanti separati da una sottile barriera superconduttiva, in altre parole un effetto tunnel del flusso magnetico. Per poter verificare tale fenomeno, Astafiev e i suoi collaboratori hanno progettato e realizzato un circuito quantistico molto complesso chiamato qubit di Mooji-Harmans, costituito da un anello superconduttivo a base di ossido di indio (InOx) che separa due zone isolanti.
L’anello si restringe in un suo tratto per formare un nanofilo del diametro di 40 nm. L’analisi spettroscopica condotta al variare del flusso magnetico e della frequenza della radiazione a microonde incidente, ha permesso di appurare che gli stati quantici del sistema corrispondono alla sovrapposizione di due stati adiacenti del flusso magnetico indotto proprio dallo slittamento quantistico di fase coerente: il flusso magnetico attraversa il nanofilo che persiste nel suo stato superconduttivo.
Astafiev è convinto della possibilità di poter sfruttare i qubit CQSP per progettare nuovi dispositivi quantici con funzionalità uniche analoghe a quelle basati sulle giunzioni Josephson se non addirittura con prestazioni potenzialmente migliori soprattutto nel campo dei calcolatori quantici.
Effetto Josephson (sinistra)
Due superconduttori separati da un sottile strato isolante: la corrente elettrica è prodotta per effetto tunnel, attraverso l’isolante, di coppie di elettroni (dette coppie di Cooper).
Slittamento Quantistico di fase coerente (destra)
Due isolanti separati da un superconduttore: la corrente è prodotta dal tunneling dei quanti di flusso magnetico (perpendicolari alla figura) attraverso il superconduttore.
(fonte: RIKEN)
