La ricerca ha trovato un modo per formare diodi da superconduttori. Questi dispositivi innovativi, che funzionano a temperature molto inferiori a quelle dei diodi semiconduttori, potrebbero trovare impiego nelle tecnologie quantistiche.
Un team internazionale di ricercatori ha dimostrato come un’eterostruttura formata da superconduttori e magneti può essere impiegata per creare una corrente unidirezionale come quella dei diodi semiconduttori. Nello studio sostenuto dai progetti SUPERTED, TERASEC, SuperGate e SuperCONtacts, finanziati dall’UE, gli scienziati hanno dimostrato che gli innovativi diodi superconduttori funzionano a temperature notevolmente inferiori a quelle dei diodi semiconduttori, e che sono dunque utili nelle tecnologie quantistiche.
I diodi sono componenti elettronici che permettono il flusso di corrente elettrica solo in una direzione, bloccandolo in quella opposta. Si trovano in diversi dispositivi moderni, come i ricevitori radio, i sensori di temperatura e le celle fotovoltaiche. Questi diodi basano il loro funzionamento sulle proprietà elettroniche dei sistemi semiconduttori ma, a causa della loro ampia banda proibita, i semiconduttori non funzionano alle temperature sub-Kelvin estremamente basse richieste per la crio-elettronica e i sensori ultrasensibili. In altre parole, non sono adatti alle future tecnologie quantistiche.
La banda proibita di un semiconduttore è l’energia minima richiesta per eccitare un elettrone bloccato nel suo stato stazionario (ossia, legato a un atomo) e portarlo in uno stato libero che permetta di condurre corrente. Rispetto ai semiconduttori, i superconduttori hanno una banda proibita inferiore. Questa, insieme alla loro impedenza naturalmente bassa, li rende candidati ideali per l’utilizzo nei diodi criogenici.Tuttavia, come riportato in un articolo pubblicato su «Mirage News», sebbene la scienza conoscesse l’esistenza di questa banda proibita da decenni, non si era mai osservata una «caratteristica simile ai diodi». Infatti, per creare un diodo superconduttore occorre rompere la cosiddetta simmetria elettrone-lacuna, ossia la simmetria generalmente forte tipica delle caratteristiche tensione-corrente del contatto metallico dei superconduttori.
I ricercatori ora hanno dimostrato che tale simmetria può essere infranta usando un isolante ferromagnetico posizionato strategicamente al punto di giunzione. La scoperta apre la strada alle tecnologie quantistiche basate su materiali superconduttori funzionanti a temperature estremamente basse. «Credo che questa scoperta sia promettente per diverse funzioni della tecnologia quantistica, ad esempio il raddrizzamento o la limitazione della corrente», osserva il dott. Francesco Giazotto, autore senior del progetto, studioso presso il Consiglio Nazionale delle Ricerche italiano, l’istituto che ha ospitato e coordinato i progetti TERASEC e SuperCONtacts, nonché partner di SUPERTED e SuperGate. Il dott. Giazotto è ricercatore presso l’Istituto Nanoscienze (NANO) del CNR.
L’autore principale, il dott. Elia Strambini, anch’egli attivo presso il CNR NANO, descrive la scoperta della funzionalità del diodo come «una piacevole sorpresa, una conseguenza dell’accurata caratterizzazione dei campioni di SUPERTED». Strambini è stato il ricercatore artefice della scoperta iniziale.
«Ciò che abbiamo rilevato mostra il potere della collaborazione tra ricercatori di diverse sfere, dalla scienza dei materiali all’elettronica e teoria dei superconduttori», osserva il co-autore, il prof. Tero Heikkilä dell’Università di Jyväskylä, in Finlandia, l’istituto che ha coordinato il progetto SUPERTED (Thermoelectric detector based on superconductor-ferromagnet heterostructures). «Senza il supporto europeo questa collaborazione non avrebbe avuto luogo.»
Sebbene la ricerca sia stata sostenuta principalmente dal progetto SUPERTED, è stata inoltre parzialmente finanziata da TERASEC (THz imaging technology for public security), SuperGate (Gate Tuneable Superconducting Quantum Electronics) e SuperCONtacts (Solid state diffusion for atomically sharp interfaces in semiconductor-superconductor hybrid structures). Lo studio è stato pubblicato sulla rivista «Nature».
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