Una nuova forma di silicio prende di mira l'informatica quantistica

Alcuni dei computer quantistici più promettenti fino ad oggi hanno coinvolto materiali e sistemi esotici, inclusi materiali superconduttori raffreddati quasi allo zero assoluto e ioni e atomi fluttuanti trattenuti in campi elettrici e trappole laser. Tuttavia, il vecchio e familiare silicio sarebbe decisamente più scalabile e conveniente se solo esistessero modi affidabili per costruire qubit e circuiti quantistici con la stessa rapidità dei transistor e delle porte logiche convenzionali.

Una nuova forma di silicio chiamata Q-silicon potrebbe essere la soluzione giusta, dicono i suoi sviluppatori. I ricercatori della North Carolina State University che hanno riportato il materiale sulla rivista Materials Research Letters affermano che ha proprietà adatte non solo per l’informatica quantistica ma anche per le batterie agli ioni di litio.

“Per ingannare Madre Natura devi superare i vincoli termodinamici, quindi devi farlo molto, molto velocemente.” —Jay Narayan, Università statale della Carolina del Nord

Il silicio solitamente si presenta in tre forme: cristallino, in cui gli atomi hanno una struttura ben ordinata; amorfo, dove gli atomi sono situati in modo casuale; e policristallino, dove le unità cristalline più piccole sono collegate in modo casuale. Nel tipo cristallino, gli atomi di silicio sono impacchettati proprio come gli atomi di carbonio nel diamante, con quattro atomi che formano gli angoli di una piramide.

Il Q-silicio ha una disposizione casuale di quelle piramidi simili a diamanti che si traduce in atomi più densamente imballati e meno spazio libero. Jay Narayan, professore di scienza e ingegneria dei materiali presso la NCSU, e i suoi colleghi hanno creato il Q-silicio facendo esplodere il silicio amorfo con impulsi di nanosecondi di un laser ad alta potenza, quindi raffreddandolo in un quinto di microsecondo.

È abbastanza veloce da impedire alla termodinamica convenzionale di prendere il sopravvento per riorganizzare gli atomi in una delle tre forme naturali del silicio. "Per ingannare Madre Natura devi superare i vincoli termodinamici, quindi devi farlo molto, molto velocemente", dice Narayan.

Il Q-silicio, mostrano i ricercatori, rivela proprietà invisibili nel silicio normale. Per prima cosa, è ferromagnetico a temperatura ambiente. Ferromagnetismo, la proprietà mediante la quale i materiali si magnetizzano quando posti in un campo magnetico esterno e successivamente mantengono quello stato magnetizzato. Il ferromagnetismo si trova solitamente in metalli come ferro e nichel e deriva dalle proprietà di massa degli atomi in un solido. I loro dipoli magnetici possono essere allineati da campi esterni e quindi mantenere il loro posto una volta che tali campi scompaiono. Ma se i singoli elettroni in quei materiali potessero essere isolati, gli spin di quegli elettroni – che a loro volta possono essere su o giù o combinazioni quantistiche intermedie dei due – potrebbero anche essere usati come qubit, come mezzo per codificare informazioni quantistiche.

Il numero pari di elettroni nel carbonio e nel silicio significa tipicamente che le loro cariche esistono tutte in coppie con spin opposti, che annullano a vicenda i campi magnetici. Pertanto, trattenere e manipolare gli spin dei singoli elettroni nel silicio non è stata in genere un’opzione per ingegneri e scienziati dei materiali. Il ferromagnetismo richiede elettroni singoli o spin spaiati, dice Narayan. Tuttavia, “con la fusione e il raffreddamento rapidi siamo in grado di creare spin spaiati che sono ferromagnetici”, afferma. “L’idea è che se il silicio può avere uno spin spaiato, allora è possibile immagazzinare informazioni in quello spin”.

Sfruttare lo spin è impegnativo e alcuni hanno provato a leggere gli stati di spin degli atomi di fosforo impiantati nel silicio come percorso verso i computer quantistici. Narayan afferma che il Q-silicio potrebbe rendere più semplice sfruttare lo spin negli atomi di silicio. “Ora puoi creare computer quantistici e tutti i tipi di altre applicazioni interessanti”, afferma, “perché il Q-silicio è ferromagnetico a temperatura ambiente”.

Inoltre, quando drogato con atomi di boro, i ricercatori riferiscono che il Q-silicio diventa superconduttore. I superconduttori conosciuti tipicamente mostrano i loro poteri superconduttori solo a temperature molto basse, da qui lo scetticismo che deve affrontare qualsiasi notizia di superconduttori a temperatura ambiente.

I superconduttori con la temperatura più alta a pressione ambiente finora conosciuti diventano superconduttori al di sotto di 130 Kelvin. Narayan e i suoi colleghi affermano che il Q-silicio drogato con boro passa alla superconduzione a 174 K.