L’utilizzo di sensori quantistici rappresenta una nuova frontiera nella misura su scala atomica, permettendo di studiare con precisione fenomeni fisici essenziali come le transizioni di fase nei materiali. In particolare, l’impiego del microscopio basato su centri azoto-vacanza (NV) consente di esplorare proprietà magnetiche con risoluzione senza precedenti, aprendo la strada a importanti applicazioni nella spintronica e nel promettente campo del calcolo quantistico. Questa tecnica innovativa promette vantaggi significativi per lo sviluppo di future tecnologie avanzate.
Un team di scienziati del Laboratorio Nazionale Oak Ridge del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti ha sviluppato una tecnica innovativa per misurare le rapide fluttuazioni magnetiche dei materiali su scala nanometrica, dimensioni equivalenti a pochi miliardesimi di metro. Questo nuovo metodo, descritto sulla rivista scientifica Nano Letters, promette di accelerare lo sviluppo di tecnologie avanzate sia nel campo dell’informatica classica che nella promettente area del calcolo quantistico.
Molti materiali presentano transizioni di fase, cambiamenti netti delle loro proprietà fisiche fondamentali che avvengono a determinate temperature. Capire il comportamento dei materiali vicino a queste temperature critiche è cruciale per sfruttarne appieno le proprietà fisiche uniche. Nel loro studio, gli scienziati hanno utilizzato un sensore quantistico estremamente preciso per misurare le fluttuazioni degli spin elettronici in un sottile film magnetico durante una transizione di fase.
Per ottenere queste misurazioni, il gruppo ha impiegato un microscopio a centri azoto-vacanza (nitrogen-vacancy o NV center), presso il Center for Nanophase Materials Sciences di Oak Ridge. Il centro NV è un difetto su scala atomica presente nel diamante, caratterizzato da un atomo di azoto che sostituisce un atomo di carbonio e da un atomo di carbonio adiacente mancante. Questo difetto forma configurazioni quantistiche speciali, sensibili a variazioni magnetiche, sia statiche che dinamiche, consentendo così di rilevare segnali a livello di singolo spin elettronico.
«Il centro azoto-vacanza funziona simultaneamente come bit quantistico, o qubit, e come sensore altamente sensibile», spiega Ben Lawrie, ricercatore della divisione di Scienza e Tecnologia dei Materiali del laboratorio Oak Ridge. «Abbiamo spostato questo sensore sulla superficie del film sottile, misurando così cambiamenti magnetici e fluttuazioni degli spin elettronici che altrimenti non avremmo potuto rilevare con altre tecniche».
Le fluttuazioni degli spin osservate emergono quando le proprietà magnetiche del materiale, legate all’orientazione degli spin, cambiano continuamente direzione invece di rimanere stabili. Le misurazioni hanno evidenziato come cambiamenti locali nelle fluttuazioni degli spin siano collegati globalmente nelle vicinanze di transizioni di fase. Questa comprensione su scala atomica potrebbe aprire la strada a nuove tecnologie basate sugli spin elettronici (spintronica), migliorando notevolmente le prestazioni di dispositivi di memoria digitale e aumentando l’efficienza computazionale.
Inoltre, questa ricerca getta luce su come poter sfruttare interazioni spin-ambiente per realizzare computer quantistici basati sugli spin stessi. «Comprendere meglio le interazioni tra spin ci consentirà di sviluppare nuove applicazioni nel networking, nella sensoristica avanzata e nel calcolo quantistico», conclude Lawrie.
Lo studio è stato finanziato dal programma Basic Energy Sciences del Dipartimento dell’Energia statunitense.
Stefano Camilloni
