Un gruppo di ricercatori del National Institute for Materials Science (NIMS), dell’Università di Hokkaido, del National Institute of Science Education and Research indiano, dell’Homi Bhabha National Institute e dell’Institute of Science Tokyo ha dimostrato che gradini superficiali alti appena un atomo possono controllare in modo estremamente marcato il movimento dei vortici quantistici all’interno di un superconduttore ultrasottile. Nel sistema studiato, costituito da strati atomici di indio depositati su silicio, i vortici di Josephson riescono a muoversi lungo la direzione dei gradini con una mobilità che, in determinate condizioni di campo magnetico, risulta fino a circa 1.000 volte superiore rispetto al movimento perpendicolare agli stessi gradini. Il fenomeno trasforma quindi irregolarità superficiali di dimensioni subnanometriche in veri e propri canali direzionali per il trasporto del flusso magnetico, il cui comportamento può essere modificato intervenendo sulla temperatura e sull’intensità del campo magnetico.
Nei materiali superconduttori la corrente elettrica può circolare senza la normale resistenza al di sotto di una determinata temperatura critica, ma l’applicazione di un campo magnetico introduce una condizione più complessa. Il flusso magnetico può infatti penetrare nel materiale sotto forma di vortici quantizzati, attorno ai quali circolano correnti superconduttrici. Quando questi vortici si spostano, dissipano energia e generano una resistenza elettrica, motivo per cui la loro immobilizzazione mediante difetti strutturali, utilizzati come siti di pinning, rappresenta una delle tecniche tradizionalmente impiegate nella progettazione dei superconduttori. Il sistema sviluppato dai ricercatori introduce invece un meccanismo differente: anziché limitarsi a bloccare i vortici, la struttura atomica della superficie crea una forte preferenza direzionale, permettendo loro di scorrere con facilità lungo una direzione e ostacolandone contemporaneamente il movimento nella direzione trasversale.
L’esperimento è stato condotto utilizzando il superconduttore bidimensionale Si(111)-(√7×√3)-In, ottenuto formando doppi strati atomici di indio sopra una superficie di silicio leggermente inclinata rispetto al piano cristallografico ideale. Questa inclinazione, definita superficie vicinale, genera una successione regolare di terrazze parallele separate principalmente da gradini alti circa 0,31 nanometri. La larghezza media delle terrazze misurata nel campione è di circa 89 nanometri, un valore particolarmente importante perché risulta confrontabile con la dimensione trasversale, compresa approssimativamente tra 80 e 100 nanometri, dei nuclei dei vortici di Josephson presenti nel materiale. Nonostante un singolo gradino sia quindi alto meno di un nanometro, attraversa l’intera larghezza del nucleo allungato del vortice e introduce un accoppiamento debole tra le terrazze superconduttrici adiacenti, creando una configurazione assimilabile a una sequenza di giunzioni Josephson.
La struttura è stata inizialmente caratterizzata attraverso microscopia a effetto tunnel a una temperatura di 0,4 kelvin, verificando sia la disposizione parallela dei gradini sia il gap energetico superconduttivo e la presenza dei vortici in corrispondenza delle discontinuità atomiche. Per analizzare il loro trasporto, i ricercatori hanno quindi realizzato due configurazioni di misura elettrica a quattro terminali, orientate in modo che la forza di Lorentz applicata ai vortici ne producesse il movimento rispettivamente lungo i gradini oppure attraverso di essi. Poiché un vortice in movimento genera dissipazione e quindi una resistenza misurabile, l’andamento della resistenza superficiale ha consentito di determinare indirettamente la differenza di mobilità nelle due direzioni. Durante il raffreddamento del campione in presenza di un campo magnetico applicato perpendicolarmente alla superficie, la resistenza è diminuita rapidamente, ma con comportamenti molto diversi a seconda della direzione del moto dei vortici. L’anisotropia della resistenza superficiale, direttamente collegata a quella della mobilità dei vortici, ha raggiunto valori dell’ordine di 10³ nei campi magnetici intermedi.
Le misure hanno inoltre identificato diversi regimi dinamici. Alle temperature relativamente più elevate e con campi magnetici deboli, l’energia termica permette ai vortici di superare gradualmente le barriere di pinning attraverso un processo di creep termicamente attivato, caratterizzato da energie di attivazione differenti nelle due direzioni. Aumentando il campo magnetico, queste barriere vengono progressivamente ridotte, ma non con la stessa velocità: nell’intervallo compreso approssimativamente tra 0,10 e 0,20 tesla, la barriera associata al movimento parallelo ai gradini arriva praticamente a scomparire, mentre quella relativa al movimento perpendicolare rimane presente. In questa regione si forma quindi un regime di trasporto essenzialmente unidimensionale nel quale i vortici possono fluire lungo i gradini senza pinning, rimanendo invece fortemente ostacolati quando cercano di attraversarli.
Abbassando ulteriormente la temperatura, il movimento residuo dei vortici non può più essere spiegato dall’attivazione termica. In questo regime i ricercatori attribuiscono il trasporto al tunneling quantistico, nel quale i vortici riescono a superare le barriere senza possedere l’energia termica normalmente necessaria per farlo. Sulla base delle misure è stato costruito un diagramma di fase in funzione del campo magnetico e della temperatura, capace di distinguere le regioni dominate dal creep termico, dal flusso direzionale privo di pinning e dal moto governato dal tunneling quantistico. La stessa struttura atomica può quindi produrre comportamenti di trasporto molto differenti semplicemente variando le condizioni esterne del sistema.
Il lavoro prosegue precedenti esperimenti condotti sullo stesso sistema indio-silicio, nei quali i vortici di Josephson erano già stati osservati direttamente mediante microscopia a effetto tunnel in corrispondenza dei gradini atomici. Le nuove misure mostrano però quantitativamente quanto queste strutture possano influire sul trasporto attraverso un dispositivo macroscopico: una discontinuità alta appena 0,31 nanometri modifica il comportamento di un nucleo di vortice largo quasi 100 nanometri, mentre l’anisotropia risultante viene rilevata elettricamente lungo percorsi di corrente che raggiungono frazioni di millimetro. Il controllo non deriva inoltre da un difetto strutturale statico con un unico comportamento, perché l’effetto di guida dei vortici può essere regolato attraverso temperatura e campo magnetico, permettendo alla stessa architettura superficiale di passare tra regimi nei quali prevalgono pinning, movimento guidato e tunneling quantistico.
I risultati riguardano un sistema sperimentale molto specifico e non costituiscono direttamente una nuova architettura di computer quantistico o di qubit. Le misure sono state effettuate in condizioni di ultravuoto, a temperature comprese tra circa 0,4 e 4,2 kelvin, utilizzando un superconduttore formato da strati atomici, e gli stessi ricercatori indicano la necessità di modelli teorici più appropriati per descrivere quantitativamente un regime di trasporto caratterizzato da un’anisotropia così elevata. Il controllo dei vortici rimane tuttavia rilevante per i dispositivi superconduttori, perché il loro movimento incontrollato produce dissipazione e può introdurre rumore nei circuiti: superfici progettate per indirizzare il flusso magnetico lungo percorsi prestabiliti, oppure per mantenerlo lontano da regioni particolarmente sensibili, possono quindi fornire indicazioni per lo sviluppo di componenti elettronici superconduttori, sensori e dispositivi destinati anche ai sistemi quantistici.
La configurazione ottenuta offre inoltre una piattaforma sperimentale per lo studio delle transizioni di fase quantistiche nei sistemi bidimensionali. In una parte del diagramma campo magnetico-temperatura, il trasporto dei vortici viene infatti trasformato da un fenomeno bidimensionale a un moto sostanzialmente confinato lungo canali unidimensionali, consentendo di studiare in condizioni controllate l’influenza di parametri come disordine, densità dei portatori e campo magnetico sugli stati superconduttivi. L’elemento centrale dell’esperimento è quindi la possibilità di utilizzare una sequenza organizzata di strutture delle dimensioni di un singolo atomo non soltanto per fissare i vortici, ma per controllarne direzione e meccanismo di movimento, passando dal trasporto ostacolato al flusso guidato fino al tunneling quantistico attraverso la variazione delle condizioni fisiche applicate al materiale.
Questo articolo è stato redatto con il supporto di strumenti di intelligenza artificiale (AI)