Una svolta nella tecnologia quantistica con i superconduttori topologici

“Lifshitz transitions and Weyl semimetals from a topological superconductor with supercurrent flow” è il titolo dell’articolo che il 15 luglio è stato pubblicato sulla prestigiosa rivista Physical Review Research dell’American Physical Society, l’organizzazione statunitense che dal 1899 promuove l’avanzamento della fisica attraverso la collaborazione internazionale, la condivisione e la diffusione di progetti.

Autori dell’articolo sono tre fisici del Politecnico: il docente Fabrizio Dolcini, il ricercatore Francesco Buccheri e l’assegnista Fabian Medina Cuy del gruppo di ricerca Nanophysics and Quantum Systems del Dipartimento di Scienza Applicata e Tecnologia-DISAT.

Oggetto del loro studio sono i superconduttori topologici, materiali su cui c’è un fervente interesse nel mondo della ricerca scientifica poiché, se scoperti o realizzati artificialmente potrebbero portare a una vera e propria svolta nella scienza e nella tecnologia quantistica. Questi materiali, infatti, ridurrebbero significativamente la dissipazione energetica nei nanodispositivi e, allo stesso tempo, potrebbero essere utilizzati per codificare informazione quantistica in forma protetta. Nonostante le numerose proposte teoriche e gli incoraggianti risultati sperimentali, nessun gruppo di ricerca ha ancora trovato alcuna prova schiacciante dell'esistenza di questi materiali.
L’articolo del gruppo di ricerca del Politecnico suggerisce ora un nuovo approccio per osservare la fisica dei superconduttori topologici. L’idea su cui si basa il loro studio è che una corrente elettrica che scorre attraverso un superconduttore topologico è caratterizzata da un parametro, la quantità di moto totale di una coppia di elettroni, che può interpretarsi come derivante da una dimensione spaziale fittizia addizionale. Ciò implica, ad esempio, che un sottile filo superconduttore unidimensionale attraversato da una corrente può essere interpretato come un semimetallo bi-dimensionale, in modo simile a quanto accade quando un sottile cilindro viene srotolato su un foglio.
 

Questo risultato potrebbe aprire la strada all'indagine e all'osservazione della fisica dei superconduttori topologici mediante i semimetalli di Weyl, ovvero materiali conduttori già realizzati e con un enorme potenziale nell'elettronica e nella fotonica ultraveloci.
In particolare, gli autori hanno dimostrato che diversi tipi di semimetalli di Weyl corrispondono alle diverse fasi elettroniche (gappate e senza gap) di un superconduttore topologico. Inoltre, le esotiche quasi-particelle di Majorana di un superconduttore topologico, che garantiscono la protezione dei protocolli di informazione quantistica, risultano essere in corrispondenza uno-ad-uno con gli stati elettronici di superficie che caratterizzano un semimetallo di Weyl.

Questo approccio innovativo proposto dagli autori contente anche di prevedere la corrente elettrica massima che un superconduttore topologico può sostenere preservando le sue quasi-particelle di Majorana, fornendo così nuove linee guida per gli esperimenti.

“La ricerca dei superconduttori topologici e delle loro quasi-particelle di Majorana rappresenta una sorta di ‘sacro Graal’ per il mondo della Fisica quantistica. – afferma il docente Fabrizio Dolcini – Il nostro studio, frutto di un anno di intenso lavoro, mostra ora che esiste una connessione stretta tra essi ed i semimetalli di Weyl, materiali di recente scoperta. Ciò rappresenta un ponte interdisciplinare tra la fisica quantistica ed i materiali topologici, che sappiamo avere enormi potenzialità nelle tecnologie quantistiche.”