Sostegno “monstre” per la ricerca sui materiali quantistici

Finanziamento di 15 milioni di franchi distribuiti nei prossimi dieci anni dalla Fondazione Werner Siemens per agevolare il progetto CarboQuant

Dodici anni di intenso lavoro stanno dando i loro frutti: i ricercatori svizzeri dell’EMPA hanno sviluppato materiali al carbonio unici, con proprietà elettroniche e magnetiche sorprendenti e finora mai ottenute in passato, che un giorno potrebbero essere utilizzati per costruire computer quantistici dall’architettura inedita.
Una sovvenzione milionaria della Fondazione Werner Siemens per i prossimi dieci anni darà ora a questo progetto visionario un orizzonte di ricerca insolitamente lungo, aumentando in maniera notevole le prospettive di successo sui materiali quantistici.
Un finanziamento eccezionalmente elevato permetterà infatti a un team di ricercatori del Laboratorio Federale Svizzero per la Scienza e la Tecnologia dei Materiali di lavorare su un progetto ambizioso per i prossimi dieci anni: la WSS sosterrà l’iniziativa CarboQuant dell’EMPA con 15 milioni di franchi svizzeri.
Il progetto mira a gettare le basi per nuove tecnologie quantistiche che potrebbero funzionare anche a temperatura ambiente, al contrario delle tecnologie attuali, la maggior parte delle quali richiedono un raffreddamento vicino allo zero assoluto.
“Con questo progetto stiamo facendo un grande passo verso l’ignoto”, dice Oliver Gröning, che coordina le attività di studio.
“Grazie alla partnership con la Fondazione Werner Siemens, potremo ora allontanarci molto di più dalla riva sicura della nostra conoscenza esistente di quanto sarebbe stato possibile attraverso la ‘normale’ ricerca quotidiana. Ci sentiamo un po’ come Cristoforo Colombo, che sta guardando oltre l’orizzonte per trovare qualcosa di completamente nuovo”.

Verso computer quantistici compatti grazie alla… topologia

Dodici anni di studi e quattro scienziati in marcia verso l’ignoto

La spedizione verso l’ignoto intrapresa da Pascal Ruffieux, Oliver Gröning e Gabriela Borin-Barin, sotto la guida di Roman Fasel, tutti ricercatori dell’EMPA fra Dübendorf, San Gallo e Thun, è stata preceduta da dodici anni di intensa attività di ricerca sui materiali quantistici.
Gli studiosi della sezione nanotech@surfaces dell’EMPA hanno pubblicato regolarmente i loro lavori in riviste rinomate come “Nature”, “Science” e “Angewandte Chemie”.
Nel 2010, l’équipe svizzera è riuscita per la prima volta a sintetizzare nanostrisce o nastri di grafene, i cosiddetti “nanoribbons”, da molecole più piccole e precursori.
Con il loro nuovo approccio di sintesi, la squadra del Laboratorio Federale Svizzero per la Scienza e la Tecnologia dei Materiali può ora produrre nanomateriali di carbonio con precisione atomica, definendo così con precisione le loro proprietà quantistiche.
Il grafene è considerato un possibile “materiale da costruzione” per i computer del futuro; è fatto di carbonio e assomiglia alla familiare grafite.
Esso è, infatti, costituito da un solo strato atomico sottile e promette architetture di computer più veloci e potenti di quelle consentite dai materiali semiconduttori conosciuti al giorno d’oggi.
Già nel 2017, il team di ricerca elvetico, in collaborazione con i colleghi della sede di Berkeley dell’Università della California, ha costruito il primo transistor da nastri di grafene e ha pubblicato il risultato sul periodico “Nature Communications”.

La “ricetta” dell’EPFL per computer quantistici più potenti

Una prima pietra miliare della fisica: il carbonio… “magnetico”

A un certo punto i ricercatori hanno realizzato un effetto che in passato era stato previsto soltanto teoricamente e che sembrava ancora più interessante da approfondire: nanomateriali di carbonio, fatti su misura, mostravano significative proprietà magnetiche.
Nel 2020, gli scienziati hanno riportato per la prima volta la narrazione del fenomeno che avevano scoperto sulla rivista “Nature Nanotechnology”, facendolo seguire da un documento ancora più raffinato e completo nell’ottobre del 2021.
Usando i loro nanomateriali di carbonio, avevano dimostrato per la prima volta un effetto fisico che il futuro Premio Nobel per la fisica Frederick Duncan Michael Haldane aveva predetto quasi quarant’anni or sono: la frazionalizzazione degli Spin .
Questa frazionalizzazione si forma soltanto quando molti Spin (cioè i magneti quantici fondamentali) possono essere portati in una superposizione quantica comune e coerente.
I ricercatori dell’EMPA hanno ottenuto proprio questo grazie alle loro catene molecolari, sintetizzate con precisione.
CarboQuant è destinato a costruire su questi effetti speciali degli Spin delle nanostrisce di grafene.
Oliver Gröning dice: “Finora, vediamo stati di Spin in posizioni molto specifiche nei nastri grafenici, che possiamo generare e rilevare”.
Dunque, “Il prossimo passo sarà quello di manipolare questi stati di Spin deliberatamente, per esempio, per invertire lo Spin a un’estremità della nanostriscia e quindi provocare una reazione corrispondente all’altra estremità”.
Ciò darebbe ai ricercatori dell’EMPA qualcosa di realmente unico su cui lavorare: un effetto quantico che è stabile e può essere manipolato anche a temperatura ambiente o che richiede soltanto un raffreddamento moderato.
Questo potrebbe essere un proiettile d’argento per costruire tipi completamente nuovi di computer quantistici.

Il mondo quantistico alla mercé di un’inedita eterogiunzione

0 e 1 allo stesso tempo: c’è il superamento del mondo binario

Ma perché i computer quantistici possono effettuare calcoli più velocemente dei computer convenzionali? I computatori classici calcolano in bit. Ogni componente può avere uno dei due stati possibili: 0 o 1.
Nel mondo quantistico, invece, questi stati possono essere sovrapposti: sono possibili 0 o 1 o entrambi gli stati allo stesso tempo.
Ecco perché i circuiti di un computer quantistico, conosciuti come qubit, possono eseguire non soltanto un’operazione computazionale dopo l’altra, ma più operazioni simultaneamente.
Il dottor Gröning è già in attesa dell’esperimento: “Se riusciamo a controllare gli stati degli Spin nei nostri nastri, potremo usarli per dispositivi elettronici quantistici”.
Mentre una parte del team continua a studiare gli effetti degli Spin nel vuoto più spinto, altri membri del team si concentreranno sull’idoneità quotidiana delle nanostrisce di grafene.
“Dobbiamo far uscire i componenti dall’ambiente protetto del vuoto spinto e prepararli in modo che, anche a temperatura ambiente e nell’aria che respiriamo, essi non si disintegrino. Soltanto allora potremo dotare i ‘nanoribbons’ di contatti, che è il prerequisito per applicazioni pratiche senza la necessità di un’elaborata infrastruttura”, spiega Oliver Gröning.

Passo avanti sperimentale verso i supercomputer quantistici

All’inizio radiazione ad alta frequenza e intensi impulsi laser

Il viaggio in questo nuovo mondo sconosciuto sarà in ogni caso molto impegnativo.
Già nella fase iniziale (il biglietto d’ingresso, se vogliamo dire così), il controllo e la misurazione risolta nel tempo degli stati di Spin richiedono una serie di attrezzature completamente nuove che i ricercatori dovranno sviluppare e costruire.
“Dobbiamo combinare il Microscopio a Effetto Tsunnel, detto STM, in cui sintetizziamo i nanoribbons e guardiamo la loro struttura, con misure ultra-veloci delle loro proprietà elettroniche e magnetiche”, seguita il dottor Gröning.
Questo può essere fatto attraverso segnali elettrici ad alta frequenza e con elevati campi magnetici, abbinati all’irradiazione con impulsi laser molto brevi ed estremamente intensi.
Per raggiungere questo obiettivo, all’EMPA si stanno allestendo due nuovi sistemi di misurazione, che svolgeranno anche ruoli chiave negli altri progetti di ricerca dell’équipe e che sono cofinanziati dal Fondo Nazionale Svizzero per la Ricerca Scientifica (FNS) e dal Consiglio Europeo della Ricerca (ERC).
“Ciò dimostra che le sinergie emergono spesso anche da progetti diversi”, dice Oliver Gröning, “ma anche che obiettivi ambiziosi possono essere raggiunti soltanto con il sostegno di diversi attori a più livelli“.
I ricercatori stimano che ci vorranno dai due ai tre anni soltanto per allestire questi nuovi strumenti analitici e per effettuare i primi test.

Quando è la luce a migliorare la resa dei circuiti integrati

Oliver Gröning: “Se là fuori c’è un’isola, di certo la troveremo…”

“CarboQuant è un progetto molto speciale, proprio grazie al suo finanziamento che è allo stesso tempo a lungo termine e parecchio generoso…”, si sbilancia Oliver Gröning.
I ricercatori della sezione nanotech@surfaces dell’EMPA hanno ora una libertà creativa straordinariamente grande e a lungo termine sulla strada verso il loro ambizioso obiettivo: un possibile materiale da costruzione per i computer quantistici di prossima generazione.
“Non vediamo ancora l’isola che potrebbe esserci là fuori. Ma possiamo intuirla, e se c’è qualcosa là fuori, siamo sicuri che la troveremo, grazie al sostegno della Fondazione Werner Siemens e dei nostri partner di ricerca nazionali e internazionali”, conclude il dottor Gröning.

Mini generatori di elettricità formati da… punti quantici