Ecco la batteria a fase quantica. Realizzata nei laboratori NEST di Pisa

La corrente viene generata non chimicamente, ma sfruttando le proprietà della materia

[18 Giugno 2020]

Lo studio “A Josephson phase battery”, pubblicato su Nature Nanotechnology  da un team di ricercatori guidati da Francesco Giazotto dell’Istituto Nanoscienze del Consiglio nazionale delle ricerche (CnrNano) e del quale facevano parte anche scienziati della Scuola Normale Superiore di Pisa e delle università di Salerno e dei Paesi Baschi e Università di Salerno, presenta  i risultati che hanno portato alla fabbricazione di una batteria quantistica di fase.

Al CnrNano soiegano che «Teorizzata da qualche anno ma mai realizzata finora, la batteria combina materiali superconduttori e magnetici e sarà un componente chiave per le tecnologie quantistiche basate sulla coerenza di fase, le cui applicazioni future spaziano dai computer quantistici a sensori superconduttivi di nuova generazione. Le batterie sono parte della vita di tutti i giorni. Una batteria classica, la pila di Volta, converte l’energia chimica in un voltaggio in grado di alimentare i circuiti elettronici. Molte tecnologie quantistiche si basano su materiali superconduttori nei quali le correnti possono fluire in assenza di un voltaggio applicato e quindi senza una batteria classica. Queste correnti, dette supercorrenti perché non dissipano energia, non sono indotte da un voltaggio ma da una grandezza quantistica nota come differenza di fase del circuito quantico».

Al NEST di Pisa aggiungono che «L’effetto di sfasamento su cui si basa la batteria a fase quantica è noto (effetto Josephson), e già si pensava di usare questo fenomeno fisico (e non la classica energia chimica, riveduta e corretta nei decenni fino a livelli di raffinatezza estremi), dovuto alla natura ondulatoria della materia, per produrre energia da immettere in circuiti ibridi superconduttori».

Francesco Giazotto che guida il gruppo di elettronica quantistica superconduttiva ai laboratori NEST di CnrNano e Scuola Normale, sottolinea che «Il dispositivo quantistico che abbiamo realizzato capace di fornire una differenza di fase persistente opera come una batteria quantistica che genera supercorrenti in un circuito quantico»

Un risultato frutto della collaborazione tra il teami Sebastian Bergeret dell’università dei Paesi Baschi, che nel 2015 aveva concepito il dispositivo dal punto di vista teorico e quello di Giazotto ed Elia Strambini di CnrNano che ha identificato una combinazione di materiali efficace e realizzato concretamente il dispositivo. Le misure di fase quantistica sono state condotte dal team di Strambini e Giazotto, con sistemi ultra criogenici tra i più avanzati a livello internazionale.

Strambini principale autore dello studio, spiega a sua volta che «Il nucleo della batteria è costituito da un nanofilo di Arseniuro di Indio inserito tra elettrodi superconduttori di alluminio che operano come poli della batteria. Accendendo un campo magnetico la batteria si carica in fase, ovvero ai suoi capi si accumula una differenza di fase. La scelta dei materiali è stata fondamentale. E’ infatti grazie a ossidi e difetti presenti sulla superficie del nanofilo che si generano momenti magnetici che si polarizzano all’accensione del campo magnetico e contribuiscono all’accumulo della differenza di fase, e quindi alla carica della batteria»».

La batteria viene caricata applicando un campo magnetico esterno, che può quindi essere spento e fungere da interruttore. Consiste in un nanofilo InAs drogato di tipo “n” che forma il nucleo di base della batteria (la pila) e cavi superconduttori in Alluminio come poli.

I prossimi passi nello sviluppo di questa batteria prevedono di perfezionarla, testando varianti nei materiali e nella struttura. I ricercatori concludono: « Questo lavoro contribuisce agli enormi progressi che si stanno compiendo nelle tecnologie quantistiche, che potrebbero rivoluzionare sia le tecniche di calcolo, grazie ai computer quantistici, che quelle di misura, con sensori ultra precisi, nonché la medicina e le telecomunicazioni».