Nel campo della fisica dei materiali e della tecnologia quantistica, una recente scoperta ha aperto nuove frontiere per il futuro dei computer quantistici. Gli scienziati del Laboratorio Nazionale di Brookhaven, gestito dal Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti (DOE), hanno rivelato che il rivestimento del tantalio con magnesio migliora notevolmente le sue proprietà come materiale superconduttore, essenziale per la costruzione di qubit, l’elemento fondamentale dei computer quantistici.
La protezione contro l’ossidazione
Il rivestimento in film sottile di magnesio protegge il tantalio dall’ossidazione, un processo che può degradare la superconduttività e la coerenza quantistica del materiale. Questo strato impedisce al tantalio di ossidarsi, ne aumenta la purezza e innalza la temperatura di transizione superconduttiva, che in gradi Celsius corrisponde a un valore più elevato rispetto a quello non rivestito. Questi miglioramenti potrebbero incrementare la capacità del tantalio di mantenere le informazioni quantistiche nei qubit in uno stato coerente.
La ricerca precedente e le sfide dell’ossidazione
Questa scoperta si basa su studi precedenti in cui un team del Centro per i Nanomateriali Funzionali (CFN) e della Fonte di Luce Sincrotrone Nazionale II (NSLS-II) di Brookhaven, insieme all’Università di Princeton, ha esaminato le caratteristiche del tantalio e successivamente ha collaborato con scienziati del Dipartimento di Fisica della Materia Condensata e Scienza dei Materiali (CMPMS) di Brookhaven e teorici del Laboratorio Nazionale del Nord-Ovest del Pacifico (PNNL) del DOE per rivelare dettagli su come il materiale si ossida.
La mitigazione dell’ossidazione con il magnesio
Tutti questi studi fanno parte del Centro di Co-design per il Vantaggio Quantico (C2QA), un centro di ricerca nazionale sulla scienza dell’informazione quantistica guidato da Brookhaven. Mentre le ricerche in corso esplorano diversi tipi di materiali di copertura, il nuovo articolo descrive un primo approccio promettente: rivestire il tantalio con uno strato sottile di magnesio.
Le tecniche di microscopia elettronica
Le tecniche di microscopia elettronica sviluppate al Laboratorio di Brookhaven hanno permesso di visualizzare direttamente non solo la distribuzione chimica e l’arrangiamento atomico all’interno dello strato sottile di rivestimento di magnesio e del film di tantalio, ma anche i cambiamenti dei loro stati di ossidazione. Queste informazioni sono estremamente preziose per comprendere il comportamento elettronico del materiale.
Le implicazioni tecnologiche e la ricerca futura
A livello più semplice, i calcoli hanno rivelato che il magnesio ha un’affinità più elevata per l’ossigeno rispetto al tantalio. Il magnesio reagisce con l’ossigeno per formare uno strato protettivo di ossido di magnesio, che blocca quasi completamente l’ossidazione del tantalio. Inoltre, il magnesio ha avuto un effetto benefico inaspettato: ha “assorbito” le impurità involontarie nel tantalio, aumentando così la temperatura di transizione superconduttiva del materiale.
Questo potrebbe essere molto importante per le applicazioni, poiché la maggior parte dei superconduttori deve essere mantenuta a temperature molto basse per funzionare. Anche un leggero aumento della temperatura di transizione potrebbe ridurre il numero di elettroni non accoppiati, rendendo il materiale un superconduttore migliore e aumentando il suo tempo di coerenza quantistica.
In conclusione, questa ricerca fornisce intuizioni preziose e nuovi principi di progettazione dei materiali che potrebbero aiutare a spianare la strada alla realizzazione di sistemi di calcolo quantistico su larga scala e ad alte prestazioni.
