I gradini atomici guidano i vortici quantistici 1.000 volte più facilmente

Alcuni ricercatori in Giappone hanno dimostrato che un gradino superficiale alto appena un atomo può agire come un binario per i vortici quantistici, consentendo loro di muoversi circa 1.000 volte più facilmente in una direzione rispetto all’altra.

Il risultato proviene da un superconduttore ultrasottile realizzato con indio su silicio. In uno studio sottoposto a revisione paritaria e pubblicato su Physical Review B, ricercatori del National Institute for Materials Science (NIMS) giapponese, dell’Università di Hokkaido, del National Institute of Science Education and Research indiano e dell’Institute of Science Tokyo hanno misurato il modo in cui i vortici di Josephson si muovevano parallelamente e perpendicolarmente a una serie regolare di gradini atomici.

Il contrasto ha raggiunto l’ordine di 10³ a campi magnetici intermedi. Invece di limitarsi a intrappolare i vortici, come spesso fanno i difetti nei superconduttori, i gradini hanno creato un canale di trasporto fortemente direzionale, il cui comportamento poteva essere regolato mediante temperatura e campo magnetico.

Perché il movimento dei vortici è importante in un superconduttore

Al di sotto di una temperatura critica, un superconduttore trasporta corrente elettrica senza la normale resistenza. In presenza di un campo magnetico, però, il flusso magnetico può penetrare sotto forma di mulinelli quantizzati di corrente circolante, chiamati vortici. Quando questi vortici si muovono, dissipano energia e producono resistenza elettrica.

Il controllo del movimento dei vortici è quindi un problema centrale nei materiali superconduttori. L’ingegneria convenzionale cerca spesso di immobilizzare i vortici con difetti noti come siti di pinning. Il nuovo esperimento esplora una possibilità diversa: modellare la superficie affinché i vortici possano muoversi facilmente in una direzione, restando fortemente ostacolati nell’altra.

Il gruppo ha utilizzato il superconduttore a strato atomico Si(111)-(√7×√3)-In, formato ricoprendo una superficie di silicio leggermente inclinata con doppi strati atomici di indio. L’inclinazione crea terrazze parallele, separate per lo più da gradini alti 0,31 nanometri. Le terrazze avevano una larghezza media di circa 89 nanometri, vicina alla dimensione trasversale di 80–100 nanometri dei nuclei dei vortici di Josephson in questo materiale.

Questa corrispondenza tra le scale di lunghezza è importante. Sebbene ogni gradino sia alto meno di un nanometro, attraversa l’intero nucleo allungato del vortice e accoppia debolmente le terrazze superconduttrici adiacenti, come una fila di giunzioni Josephson.

Come i ricercatori hanno misurato una differenza di 1.000 volte

I ricercatori hanno dapprima usato la microscopia a scansione a effetto tunnel a 0,4 kelvin per confermare la struttura a gradini paralleli, il gap energetico superconduttivo e la presenza di vortici in corrispondenza dei gradini. Hanno poi realizzato due configurazioni di misura a quattro terminali, in modo che la forza di Lorentz spingesse i vortici lungo i gradini oppure attraverso di essi.

I vortici in movimento generano resistenza, fornendo al gruppo una misura elettrica della loro mobilità. Quando i campioni sono stati raffreddati sotto un campo magnetico perpendicolare alla superficie, la resistenza di strato è diminuita bruscamente, ma con velocità molto diverse a seconda della direzione del movimento dei vortici. L’anisotropia di resistenza risultante, proporzionale all’anisotropia di mobilità, ha raggiunto circa 1.000 a campi intermedi.

Le misure hanno rivelato anche diversi regimi di trasporto. A temperature relativamente alte e campi magnetici bassi, l’energia termica aiutava i vortici a superare lentamente le barriere di pinning. L’aumento del campo riduceva queste barriere in modo non uniforme. Tra circa 0,10 e 0,20 tesla, la barriera scompariva per il movimento parallelo ai gradini, pur rimanendo finita nella direzione trasversale. Si produceva così quello che gli autori descrivono come un flusso unidimensionale di vortici privo di pinning.

Alle temperature più basse misurate, l’attivazione termica non era più sufficiente a spiegare il movimento residuo. I ricercatori hanno concluso che i vortici erano invece governati dall’effetto tunnel quantistico. Il diagramma di fase campo magnetico–temperatura risultante indica dove dominano lo scorrimento termico, il flusso libero direzionale e il moto quantistico.

La geometria atomica diventa una superficie di controllo

Lo studio amplia lavori precedenti nei quali i ricercatori avevano osservato direttamente i vortici di Josephson in corrispondenza dei gradini atomici nello stesso sistema indio-su-silicio. Il nuovo contributo consiste in prove di trasporto che mostrano con quanta forza quei gradini governino il movimento dei vortici attraverso un dispositivo macroscopico.

È un esempio sorprendente di come la geometria su una scala possa controllare il comportamento su una scala molto più grande. Un gradino inferiore al nanometro influenza un nucleo di vortice largo quasi 100 nanometri, mentre l’effetto direzionale appare in misure elettriche lungo percorsi di corrente misurati in frazioni di millimetro.

Secondo il riepilogo della ricerca del NIMS, l’effetto di guida può essere regolato mediante la temperatura e il campo magnetico. Questa possibilità di regolazione distingue i gradini dai difetti strutturali statici e suggerisce che superfici deliberatamente strutturate potrebbero diventare uno strumento di progettazione per controllare il trasporto del flusso magnetico nei futuri dispositivi superconduttori ultrasottili.

Che cosa significa e non significa per la tecnologia quantistica

Il risultato non equivale a un nuovo computer quantistico o a un’architettura di qubit già pronta. Le misure sono state eseguite in ultra-alto vuoto tra 0,4 e 4,2 kelvin su uno speciale materiale a strato atomico, e gli autori osservano che servono ancora descrizioni teoriche più adeguate per l’analisi quantitativa di un sistema così fortemente anisotropo.

La sua importanza è più fondamentale. I circuiti superconduttori dipendono dal mantenimento di stati quantistici controllati con precisione, mentre il movimento incontrollato dei vortici può introdurre dissipazione e rumore. Una superficie che canalizzi i vortici in modo prevedibile, o che li tenga lontani dalle aree sensibili, potrebbe in futuro orientare la progettazione di elettronica superconduttrice, sensori e componenti impiegati nei sistemi quantistici.

L’esperimento offre anche una piattaforma pulita per studiare le transizioni di fase quantistiche in due dimensioni. Riducendo il trasporto dei vortici da un problema bidimensionale a un canale effettivamente unidimensionale in una parte del diagramma di fase, i ricercatori ottengono un nuovo modo per verificare come disordine, campo magnetico e densità dei portatori rimodellino gli stati superconduttivi.

La scoperta più rilevante non è quindi soltanto che i gradini atomici possono bloccare i vortici. È che una serie deliberatamente organizzata delle più piccole caratteristiche superficiali possibili può passare tra resistenza, flusso guidato ed effetto tunnel quantistico al variare delle condizioni esterne. Il preprint completo chiarisce che si tratta di una dimostrazione controllata di fisica dei materiali, ma apre una strada credibile verso la progettazione del moto quantistico a partire dalla superficie.