SVILC: Le Correnti Nascoste nei Superconduttori che Sognano di Diventare Qubit

Ciao a tutti! Oggi voglio parlarvi di qualcosa che mi affascina incredibilmente e che potrebbe, un giorno non troppo lontano, cambiare le carte in tavola nel mondo del calcolo quantistico. Sto parlando di minuscole, quasi invisibili, correnti a loop che potrebbero nascondersi all’interno di certi materiali superconduttori, i cosiddetti cuprati. Il loro nome scientifico è un po’ uno scioglilingua: Spin-Vortex-Induced Loop Currents, o più amichevolmente, SVILC.

La superconduttività ad alta temperatura, scoperta nel lontano 1986, è ancora oggi uno dei grandi misteri della fisica. Nonostante quasi quarant’anni di ricerche intense, non abbiamo ancora una teoria completa e universalmente accettata che spieghi come funzionano questi materiali strabilianti, capaci di condurre elettricità senza alcuna resistenza a temperature “relativamente” alte (anche se ancora molto fredde per i nostri standard quotidiani!).

I Limiti delle Teorie Attuali e una Nuova Prospettiva

Vedete, la teoria standard della superconduttività, la teoria BCS, funziona magnificamente per i superconduttori tradizionali, ma inciampa quando cerca di spiegare i cuprati. Ci sono diversi punti oscuri che la teoria standard non riesce a chiarire del tutto, come ad esempio:

• Il fatto che la superconduttività avvenga in sistemi isolati dove il numero di particelle è conservato, mentre la teoria usa un formalismo che non lo conserva.
• La massa misurata dei portatori di carica superconduttori (le coppie di Cooper) che risulta essere quella dell’elettrone libero, e non la massa efficace dello stato normale come previsto.
• La difficoltà nello spiegare certe transizioni di fase e fenomeni dissipativi (o la loro assenza).

Questi “buchi” nella comprensione ci dicono che serve un approccio nuovo, forse radicalmente diverso. Ed è qui che entra in gioco una nuova teoria, sviluppata da uno degli autori dello studio originale che sto esplorando con voi. Questa teoria propone che la supercorrente non nasca come nella teoria BCS, ma da un campo di gauge emergente, legato alle singolarità nella funzione d’onda di molti elettroni. In particolare, quando gli elettroni si muovono “attorcigliando” il loro spin, si creano queste singolarità e, attorno ad esse, nascono delle correnti a loop persistenti. Proprio le nostre SVILC!

Cosa Sono Esattamente le SVILC e Perché nei Cuprati?

Nei cuprati, come il Bi₂Sr₂CaCu₂O_8+δ (chiamiamolo Bi-2212, è più facile!), la struttura fondamentale dove avviene la magia è il piano di ossido di rame (CuO₂). Quando “dopiamo” questo materiale, cioè introduciamo delle “lacune” (punti dove manca un elettrone), queste lacune possono formare dei piccoli “polaroni”, delle distorsioni localizzate del reticolo cristallino. Attorno a questi polaroni, a causa della competizione tra diverse interazioni magnetiche (di scambio antiferromagnetico), si possono formare dei vortici di spin. Immaginate piccoli mulinelli nello schema ordinato degli spin elettronici.

Questi vortici di spin hanno una proprietà topologica, un “numero di avvolgimento”. E qui arriva il bello: il movimento degli elettroni attorno a un vortice con numero di avvolgimento dispari costringe la funzione d’onda a cambiare segno. Ma la fisica richiede che la funzione d’onda totale sia a valore singolo! Per compensare questo cambio di segno, entra in gioco un fattore di fase extra, legato proprio a quel campo di gauge emergente di cui parlavo. Questa fase, a sua volta, ha un suo numero di avvolgimento che deve essere dispari se quello del vortice di spin è dispari. E un numero di avvolgimento dispari per questa fase significa… una corrente a loop persistente! Ecco nate le SVILC. Spesso, questi vortici si organizzano in quartetti stabili (SVQ – Spin-Vortex-Quartet).

Possiamo “Vedere” Queste Correnti Nascoste?

Ok, tutto molto affascinante in teoria, ma come facciamo a sapere se queste SVILC esistono davvero? La proposta è di cercarle indirettamente, misurando il campo magnetico che esse generano. Essendo delle correnti elettriche, anche se piccolissime, dovrebbero produrre un campo magnetico rilevabile.
Abbiamo quindi fatto dei calcoli, usando un modello matematico sofisticato (il formalismo PNC-BdG, che conserva il numero di particelle) applicato a un film sottile di Bi-2212 composto da un doppio strato di CuO₂. Abbiamo simulato la presenza di questi quartetti di vortici di spin (SVQ) e calcolato le correnti SVILC associate e il campo magnetico risultante.

I risultati sono davvero incoraggianti! A una distanza di circa 10 costanti reticolari (parliamo di nanometri!) sopra la superficie del film, il campo magnetico generato da certe configurazioni di SVILC potrebbe raggiungere l’ordine dei 100 millitesla (mT), o addirittura 300 mT in alcuni casi! Questo è un valore assolutamente alla portata delle tecniche di misura attuali, come la microscopia a scansione SQUID o quella a centro azoto-vacanza (NV center). La chiave sta nel riuscire a “stabilizzare” o indurre configurazioni di corrente specifiche, magari usando impulsi di campo magnetico esterno, che generino campi abbastanza intensi. La loro stabilità è legata alla loro natura topologica, quindi c’è speranza che persistano abbastanza a lungo per essere misurate. La conferma sperimentale dell’esistenza delle SVILC sarebbe un passo enorme verso la comprensione della superconduttività nei cuprati.

Dalle Correnti ai Qubit: Il Sogno Quantistico delle SVILC

Ma l’idea non si ferma alla pura comprensione fondamentale. Se queste SVILC esistono e sono manipolabili, potrebbero diventare i mattoni fondamentali per una nuova generazione di computer quantistici? L’idea è di usare i diversi stati di corrente possibili all’interno di una piccola “nano-isola” di materiale superconduttore come stati di un qubit (l’unità base dell’informazione quantistica).

Perché le SVILC potrebbero essere vantaggiose rispetto ai qubit attuali (come quelli superconduttori basati sull’alluminio)?

• Temperatura di Operazione: I cuprati sono superconduttori a temperature molto più alte (fino a quella dell’azoto liquido, -196°C), il che ridurrebbe drasticamente i costi e la complessità dei sistemi di raffreddamento criogenico (oggi servono temperature vicine allo zero assoluto, pochi millikelvin!).
• Dimensioni Ridotte: Le SVILC sono fenomeni su scala nanometrica (10 nm). Questo permetterebbe di stipare un numero enorme di qubit in uno spazio piccolo, un requisito fondamentale per computer quantistici potenti e tolleranti agli errori (si stima ne servano centinaia di migliaia fisici per averne un centinaio logici).
• Protezione Topologica: La natura topologica delle SVILC potrebbe renderle intrinsecamente più robuste al rumore e alla decoerenza, uno dei talloni d’Achille del calcolo quantistico.

Un’Architettura a Tre Nano-Isole

Per esplorare questa possibilità, abbiamo modellizzato un’architettura specifica composta da tre nano-isole di Bi-2212, ciascuna contenente un SVQ e quindi potenzialmente un qubit SVILC. Queste isole sono collegate tra loro da minuscoli “punti quantici” atomici, che fungono da ponti controllabili.
Nei nostri calcoli, abbiamo visto che è possibile identificare diversi livelli energetici corrispondenti a differenti pattern di corrente SVILC all’interno di ogni isola. Questi livelli possono rappresentare gli stati del qubit (ad esempio, |0> e |1>).

Come si controllano questi qubit? Applicando delle correnti esterne specifiche alle nano-isole. Variando queste correnti, possiamo modificare le energie dei diversi stati SVILC e indurre transizioni tra di essi (usando un fenomeno chiamato transizione di Landau-Zener), permettendo così di eseguire operazioni logiche quantistiche.
E come si fa a “leggere” lo stato del qubit? Proprio usando il campo magnetico generato dalle SVILC! Abbiamo visto che stati diversi producono campi magnetici distinguibili, che potrebbero essere misurati con le tecniche menzionate prima.

Un aspetto cruciale è l’accoppiamento tra i qubit. Nell’architettura a tre isole, possiamo controllare l’interazione tra i qubit non solo variando una “corrente di accoppiamento” che fluisce attraverso i punti quantici, ma anche modificando i numeri di avvolgimento della fase (chi) lungo dei loop che circondano i punti quantici stessi. Questo offre un livello di controllo molto fine sull’interazione tra i qubit, permettendo di “accenderla” e “spegnerla” quasi a comando.

Conclusioni e Prospettive

Insomma, il quadro che emerge è davvero intrigante. La teoria prevede queste correnti SVILC, i calcoli suggeriscono che potremmo rilevarle sperimentalmente misurando i loro campi magnetici (che potrebbero essere sorprendentemente intensi!), e questi stessi fenomeni potrebbero aprire la strada a una nuova piattaforma per il calcolo quantistico con potenziali vantaggi significativi.
Certo, siamo ancora a livello di calcoli teorici e modellistici. Il prossimo passo fondamentale sarà la verifica sperimentale. Riuscire a “vedere” inequivocabilmente una SVILC e il suo campo magnetico sarebbe una conferma spettacolare e aprirebbe scenari eccitanti.

Se le SVILC esistono e si comportano come previsto, potrebbero non solo aiutarci a risolvere finalmente l’enigma della superconduttività ad alta temperatura, ma anche fornirci un nuovo, potente strumento per costruire i computer quantistici del futuro. La strada è ancora lunga e piena di sfide, ma la prospettiva è così affascinante che vale assolutamente la pena percorrerla!

Fonte: Springer