Superconduttore unidirezionale: ritenuto impossibile, potrebbe rivoluzionare l’intera elettronica

Il professore associato Mazhar Ali, insieme al suo team di ricerca presso la TU Delft, ha dimostrato la superconduttività unidirezionale senza campi magnetici, ritenuta impossibile fin dal 1911 quando Kamerlingh Onnes scoprì la superconduzione.

La scoperta, pubblicata su Nature, si basa su materiali quantistici bidimensionali e getta le basi per il calcolo tramite superconduttori, potenzialmente capaci di costituire un’elettronica centinaia di volte più veloce rispetto a quella odierna, nell’ordine dei terahertz, con zero perdite di energia, ovvero senza creare surriscaldamento. “Se il 20° secolo è stato il secolo dei semiconduttori, il 21° può diventare il secolo dei superconduttori“, ha dichiarato il professore della TU Delft.

Nei superconduttori “tradizionali” una corrente passa attraverso un filo senza alcuna resistenza, il che significa che inibire questa corrente o addirittura bloccarla è quasi impossibile, per non parlare di farla fluire solo in un verso e non nell’altro. Il superconduttore unidirezionale, invece, è paragonabile a “un tipo speciale di ghiaccio che restituisce zero attrito quando si pattina in un verso, ma un attrito insormontabile quando ci si muove nell’altro verso”.

Cuore di questo superconduttore unidirezionale è il materiale quantistico Nb3Br8, una soluzione bidimensionale formata da atomi di niobio e bromo che è stato teorizzato ospiti un dipolo elettrico netto. Il materiale è stato posizionato tra due superconduttori. “Siamo stati in grado ottenere solo un paio di strati atomici di questo Nb3Br8 e creare un sandwich molto, molto sottile – spesso solo pochi strati atomici – necessario per realizzare quello che è chiamata Giunzione Josephson, cosa impossibile con i normali materiali 3D”.

Inizialmente il team non aveva certo l’obiettivo di creare un superconduttore unidirezionale, ma producendo fogli di Nb3Br8 sempre più sottili si è imbattuto in un fenomeno insolito: il materiale diventava sempre più conduttivo. Al fine di indagare ulteriormente, il team ha creato il “sandwich” e scoperto di aver realizzato, inavvertitamente, un superconduttore unidirezionale.

Quanto ottenuto è molto simile a un diodo, cioè un componente che conduce l’elettricità solo in una direzione. I diodi sono onnipresenti nell’elettronica moderna e sono alla base della logica dei computer. Al momento l’oggetto creato lascia più dubbi che certezze: i ricercatori non sanno ancora bene come funzioni perché “viola la nostra attuale comprensione di come può verificarsi la superconduttività unidirezionale”, specie in assenza di un campo magnetico localizzato.

Attualmente, tuttavia, il team di ricerca ha testato il metodo di creazione di questo superconduttore unidirezionale solo a temperature estremamente basse. L’obiettivo è vedere se può funzionare a temperature superiori a 77 °K (circa -196 °C) e capire come produrre abbastanza superconduttori per realizzare un chip vero e proprio.

“Per essere sicuri di avere un effetto diodo superconduttore, abbiamo effettivamente provato a commutare il diodo. Abbiamo applicato la stessa intensità di corrente in entrambe le direzioni e non abbiamo misurato alcuna resistenza (superconduttività) in una direzione, mentre abbiamo riscontrato una resistenza reale (conduttività normale) nell’altra direzione”

“Abbiamo anche misurato questo effetto applicando campi magnetici di diversa entità e abbiamo dimostrato che l’effetto era chiaramente presente con un campo pari a 0 e assente in presenza di un campo applicato. Questo è molto importante per le applicazioni tecnologiche: poiché i campi magnetici su scala nanometrica sono molto difficili da controllare e limitare, nelle applicazioni pratiche generalmente si desidera operare senza campi magnetici locali”.

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