Nuove soluzioni per la simulazione quantistica

Un prototipo di simulatore che replica la struttura del grafene apre la strada a una nuova classe di nano-dispositivi per studiare il mondo quantistico. Frutto di una collaborazione tra laboratorio Nest dell’Istituto nanoscienze del Cnr e Columbia University, è pubblicato sulla rivista Science.

Un team di ricercatori dell’Istituto nanoscienze del Consiglio nazionale delle ricerche (Nano-Cnr) e di Columbia University, con Università di Nimega, Missouri e Princeton, ha realizzato in un cristallo semiconduttore una struttura artificiale capace di simulare i comportamenti quantistici della materia. Cuore del dispositivo è un reticolo esagonale, modellato con precisione nanometrica sulla superficie del semiconduttore, che riproduce la struttura esagonale del reticolo del grafene. Il risultato rappresenta il primo passo verso la realizzazione di una nuova classe di simulatori quantistici a stato solido.

Lo studio, condotto da Vittorio Pellegrini e Marco Polini del laboratorio Nest di Nano-Cnr- e Scuola normale superiore di Pisa, con Aron Pinczuk di Columbia University, è pubblicato questa settimana sulla rivista Science.

Per studiare fenomeni quantistici difficili da sondare direttamente, i fisici usano sistemi artificiali costruiti ad hoc che possono essere controllati e manipolati in laboratorio, detti simulatori quantistici. Messi a punto solo in anni recenti, questi simulatori sono basati su tecnologie di tipo diverso. Il nuovo dispositivo è il primo basato su un materiale semiconduttore con lo scopo di studiare il comportamento quantistico degli elettroni.

“Fenomeni come la superconduttività ad alta temperatura, certi tipi di ferromagnetismo e stati ‘esotici’ della materia come i liquidi di spin, sono l’effetto delle mutue interazioni quantistiche tra gli elettroni”, spiega Marco Polini, del laboratorio Nest. “Calcolare in modo esatto il comportamento di tali sistemi complessi è un compito impossibile anche per i più potenti e dedicati computer. I simulatori quantistici permettono di aggirare il problema, imitando il sistema quantistico ‘incalcolabile’ con uno artificiale e controllabile che ne riproduce la dinamica”.

“La simulazione quantistica basata su reticoli artificiali di semiconduttore è un campo al crocevia tra fisica quantistica e tecnologie innovative”, commenta Aron Pinczuk professore alla Fu Foundation School of Engineering and Applied Science, “le frontiere della fisica quantistica sono sempre state esplorate con enormi acceleratori, noi invece usiamo le più avanzate tecniche di nanolavorazione dei semiconduttori e esploriamo le ‘stranezze quantistiche’ della materia in un nanoguscio”.

Il simulatore messo a punto dai ricercatori è costituito da un reticolo esagonale modellato sulla superficie di un cristallo di Arseniuro di Gallio con tecniche di nanofabbricazione. La struttura a esagoni del reticolo replica quella del grafene, materiale in cui gli elettroni hanno comportamenti speciali grazie proprio alla geometria del reticolo cristallino. Mediante la capacità di modificare a piacimento alcuni parametri chiave come il passo del reticolo artificiale, i ricercatori sono in grado di studiare il comportamento degli elettroni in condizioni analoghe a quelle del grafene ma controllabili.

“Il prototipo è stato testato con un ‘primo run’ che ha generato un singolare stato quantistico. I primi dati raccolti sono promettenti e dimostrano le potenzialità del nostro dispositivo. La fase successiva di questo studio è sviluppare ulteriormente il dispositivo”, afferma Vittorio Pellegrini del laboratorio Nest. “Confidiamo nella possibilità di creare le condizioni per esplorare nuovi stati quantistici che potrebbero, in futuro, portare a dispositivi ancora più avanzati e ad applicazioni, per esempio, nel campo dell’elaborazione avanzata d’informazione o nella crittografia”.

La scheda

Chi: Istituto nanoscienze (Nano) del Cnr
Che cosa: cristallo semiconduttore capace di simulare i comportamenti quantistici della materia.
Riferimenti: ‘Two-Dimensional Mott-Hubbard Electrons in an Artificial Honeycomb Lattice’, A. Singha, M. Gibertini, B. Karmakar, S. Yuan, M. Polini, G. Vignale, M. I. Katsnelson, A. Pinczuk, L. N. Pfeiffer, K. W. West, and V. Pellegrini, Science 3 June 2011: 1176-1179. DOI:10.1126/science.1204333]