Quei difetti nei semiconduttori utili ai supercomputer quantistici

Bruno Schuler e il suo giovane team di ricerca presso il Laboratorio Federale di Prova dei Materiali e di Ricerca in Svizzera stanno avviando un ambizioso progetto di ricerca.
Genererà selettivamente difetti in strati di semiconduttori atomicamente sottili e cercherà di misurare e controllare le loro proprietà quantistiche con una risoluzione temporale di picosecondi e con una precisione atomica.
Si prevede che le conoscenze che ne deriveranno saranno fondamentali per i futuri computer quantistici.

Mini generatori di elettricità formati da… punti quantici
Così i “rail pads” EMPA riducono il rumore lungo le ferrovie

Da lubrificante ad alte prestazioni nei motori e nelle turbine all’esfoliazione di un singolo strato di atomi

Il termine bisolfuro di molibdeno può suonare familiare ad alcuni automobilisti e ai meccanici.
Non c’è da stupirsi: la sostanza, scoperta dal chimico statunitense Alfred Sonntag negli Anni 40, è ancora oggi utilizzata come lubrificante ad alte prestazioni in motori e turbine, ma anche per bulloni e viti.
Ciò è dovuto alla particolare struttura chimica di questo solido, i cui singoli strati di materiale sono facilmente spostabili l’uno rispetto all’altro.
Tuttavia, il bisolfuro di molibdeno (chimicamente MoS2) non soltanto lubrifica bene, ma è anche possibile esfoliare un singolo strato atomico di questo materiale o farlo crescere sinteticamente su scala di wafer.
L’isolamento controllato di un monostrato di MoS2 è stato ottenuto soltanto pochi anni fa, ma è già considerato una scoperta nella scienza dei materiali con un enorme potenziale tecnologico.
Il team dell’EMPA vuole ora lavorare proprio con questa classe di materiali.

Dalla IBM un processore quantistico “monstre” da ben 433 Qubit
Innovazione e sostenibilità: ecco il nuovo campus di Dübendorf

Molto interesse nei fisici alla ricerca di materiali di base per i nanocomputer di prossima generazione

La struttura stratificata dei singoli strati atomici rende questo materiale interessante per i fisici alla ricerca di materiali di base per i nanocomputer di prossima generazione.
Il MoS2, e i suoi parenti chimici chiamati dicalcogenuri di metalli di transizione (TMD), sono una delle principali “stelle cadenti” di un’intera gamma di materiali bidimensionali (2D).
I TMD sono semiconduttori 2D e hanno un band gap diretto, ma soltanto in un singolo strato, il che li rende particolarmente interessanti per circuiti integrati miniaturizzati o rivelatori ottici.
Le robuste proprietà quantomeccaniche dei materiali 2D sono inoltre oggetto di un intenso studio per l’utilizzo nella metrologia quantistica, nella crittografia quantistica e nella tecnologia dell’informazione quantistica.
Non conta soltanto il materiale di base, ma in particolare la capacità di gestire i difetti al suo interno.
Analogamente al drogaggio chimico dei semiconduttori “classici” nei circuiti integrati o agli ioni estranei nei laser a stato solido, i difetti atomici sono “come la ciliegina sulla torta”, soprattutto nei materiali 2D, ha detto il dottor Schuler.

Rivelatori a infrarossi miniaturizzati per l’integrazione su chip
Un nuovo drone anticendio anglosvizzero in aiuto ai vigili del fuoco

Computer quantici atomicamente sottili all’interfaccia tra due “mondi”: lo spin degli elettroni e i fotoni

Il ricercatore dell’EMPA vuole caratterizzare i difetti atomici nei TMD utilizzando un nuovo tipo di strumento e studiare la loro idoneità come cosiddetti emettitori quantistici.
Gli emettitori quantistici costituiscono l’interfaccia tra due mondi: lo spin degli elettroni, l’analogo quantomeccanico della coppia di elettroni che è adatto all’elaborazione di informazioni quantistiche, e i fotoni, cioè le particelle di luce, che possono essere utilizzati per trasmettere informazioni quantistiche su lunghe distanze senza perdite “di segnale”.
I materiali 2D offrono il grande vantaggio che le scale di energia rilevanti sono molto più grandi rispetto ai materiali 3D.
Si prevede quindi che la tecnologia possa essere utilizzata al di sopra degli ambienti criogenici, idealmente anche a temperatura ambiente.
Inoltre, i difetti devono essere localizzati sulla superficie del materiale 2D, il che li rende molto più facili da trovare e manipolare.
Ma prima è necessario individuare i difetti nello strato bidimensionale di MoS2 e studiare con precisione le loro proprietà elettroniche e ottiche.

Verso la comunicazione dati “quantistica” per entanglement
Con il DroneHub un’inedita… “voliera” per la ricerca sui droni

Ångström e picosecondi: come un metro per la distanza dalla Luna o come 2 giorni per l’età della Terra

Preciso, in questo caso, significa che la posizione in esame viene esplorata con la precisione di un ångström (1 Å).
Per fare un paragone: un ångström è per un metro quello che quattro centimetri sono per la distanza Terra-Luna, ovvero 400.000 km.
E l’istantanea utilizzata per registrare l’eccitazione elettronica del punto quantico deve essere precisa fino a un picosecondo (1 ps).
Un ps è una frazione di secondo piccola come 2 giorni rispetto all’età del pianeta Terra, che è di 5 miliardi di anni.
Queste misure ultracorte e atomicamente precise forniscono quindi un quadro molto dettagliato dei processi dinamici che si verificano su scala atomica e dei fattori che li influenzano.

Sostegno “monstre” per la ricerca sui materiali quantistici
A Dübendorf un edificio per la ricerca a prova di imprevisti

Due metà di uno stesso dispositivo: un laser a infrarossi da 50 Watt e un microscopio a effetto tunnel

L’apparecchiatura in cui si svolgeranno gli esperimenti si trova già in una stanza nel seminterrato dell’edificio dei laboratori dell’EMPA a Dübendorf, dove il pavimento è più stabile.
“Abbiamo investito oltre un anno e mezzo di lavoro di preparazione e sviluppo per completare la nostra configurazione sperimentale”, spiega Bruno Schuler.
“Nell’ottobre 2022 abbiamo collegato le due metà del nostro sistema e siamo riusciti a misurare per la prima volta le correnti indotte dalle onde luminose. Il principio funziona! È un’enorme pietra miliare nel progetto”.
Le due metà con cui il team di ricerca svizzero lavorerà ora sono, da un lato, un microscopio a effetto tunnel (STM).
Una punta ultrasottile viene utilizzata per scansionare la superficie atomica del campione.
Gli scienziati posizioneranno la punta in corrispondenza di un sito difettoso, ossia un posto vacante o un atomo “estraneo” nella struttura.
A questo punto entra in gioco la seconda parte del sistema, messa a punto dal collega Jonas Allerbeck.
Un laser a infrarossi da 50 Watt invia impulsi laser ultracorti su un cristallo di niobato di litio non lineare.
Questo genera un impulso elettromagnetico stabile in fase nella gamma di frequenza dei terahertz.
Questo impulso è lungo solo una singola oscillazione di luce e può essere suddiviso con un’ottica speciale in una coppia di impulsi di pompa e di sonda, che si susseguono con un ritardo variabile e possono misurare la dinamica degli elettroni in modo stroboscopico.

Verso computer quantistici compatti grazie alla… topologia
Nuove tecniche di giunzione per l’elettronica grazie ai nanoeffetti

“Salto” di un elettrone sul sito del difetto nello strato bidimensionale di MoS2 ed eccitazione degli altri

I due impulsi vengono quindi inviati nell’STM e diretti alla punta della sonda.
Il primo impulso stacca un elettrone dalla punta, che “salta” sul sito del difetto dello strato bidimensionale di MoS2 e vi eccita gli elettroni.
“Può trattarsi di una carica elettrica, di un’eccitazione di spin, di una vibrazione reticolare o di una coppia elettrone-buco che creiamo in quel punto”, spiega il dottor Bruno Schuler.
“Con il secondo impulso, dopo alcuni picosecondi, osserviamo come il nostro sito difettoso ha risposto all’impulso di eccitazione e possiamo studiare i processi di decoerenza e il trasferimento di energia nel substrato”.
In questo modo, il ricercatore elvetico è uno dei pochi specialisti al mondo a combinare una risoluzione temporale di picosecondi con un metodo in grado di “vedere” i singoli atomi.
Il team sfrutta la localizzazione intrinseca degli stati nel sistema materiale 2D per mantenere le eccitazioni in un punto abbastanza a lungo da poter essere rilevate.
“Il microscopio a scansione di sonda a onde luminose ultrarapide consente nuove affascinanti intuizioni sui processi quantomeccanici su scala atomica, e i materiali 2D sono una piattaforma unica per creare questi stati in modo controllato”, afferma il ricercatore dell’EMPA.

Quei nuovi memristori per computer ispirati alle… cellule cerebrali
Transistor stampati su carta o film di PET? La Svizzera c’è quasi…

Una sovvenzione iniziale del Consiglio Europeo della Ricerca alla équipe d’élite guidata da Roman Fasel

Bruno Schuler e il suo team, lo specialista di ottica Jonas Allerbeck e lo studente di dottorato Lysander Huberich, che lavora al microscopio a effetto tunnel, sono sostenuti da un finanziamento del Consiglio Europeo della Ricerca.
La sovvenzione di avviamento del CER sostiene giovani scienziati di particolare talento in una sorta di “Champions League della comunità di ricerca europea”.
Il dottor Schuler ha portato con sé i migliori prerequisiti.
Ha studiato fisica al Politecnico di Zurigo e si è specializzato nel suo dottorato presso il luogo di nascita della microscopia a effetto tunnel, il laboratorio di ricerca IBM di Rüschlikon, nel Canton Zurigo.
Come postdoc e successivamente come capogruppo al Lawrence Berkeley National Lab negli Stati Uniti, ha condotto le sue prime ricerche sui materiali 2D e ha coordinato un gruppo di ricerca internazionale.
Ora vuole utilizzare questa esperienza per rafforzare e sviluppare ulteriormente l’EMPA come centro di ricerca per le nanotecnologie quantistiche.
“Con questo progetto abbiamo il privilegio di aprire un nuovo terreno scientifico e di osservare per la prima volta cose che nessuno ha mai visto prima”, afferma Schuler.
All’EMPA, il gruppo di ricerca di Bruno Schuler fa parte del laboratorio nanotech@surfaces guidato da Roman Fasel.
Il gruppo, rinomato a livello internazionale, conduce ricerche sugli effetti quantistici nelle nanostrutture organiche e inorganiche a bassa dimensione, che potrebbero costituire la base per i computer quantistici di prossima generazione.

Dalla fisica quantistica alle paludi del Pantanal, il bello di Swissnex
Un inedito cerotto sintetico per sigillare le ferite interne