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Stato peculiare di materia in strati di semiconduttori

Stato peculiare di materia in strati di semiconduttori

Gli scienziati in tutto il mondo stanno sviluppando una nuova materia per l’hardware dei computer quantistici, un nuovo tipo di dispositivo che potrebbe accelerare il design, la modellazione finanziaria e la previsione del tempo.

Questi computer si affidano a qubits, bit della materia che possono rappresentare una combinazione di 1 e 0 simultaneamente. Il problema è che i qubits sono volubili, degradando in bit regolari quando le interazioni con la materia circostante interferiscono. Ma la nuova ricerca al Massachusetts Institute of Technology (MIT) suggerisce un modo per proteggere i loro stati, utilizzando un fenomeno chiamato many-body localization (MBL).

La localizzazione di molti body (MBL) ha attirato un’attenzione significativa a causa della sua immunità alla terminizzazione, ruolo nella crescita dell’entropia entrianica logaritmica e opportunità per raggiungere gli ordini quantistici esotici. Tuttavia, la realizzazione sperimentale di MBL nei sistemi a stato solido è rimasta impegnativa.

Il many-body localization (MBL) è una fase particolare della materia, proposta decenni fa, che è diversa da solida o liquida. Tipicamente, la materia arriva all’equilibrio termico con il suo ambiente. Ecco perché la zuppa si raffredda e i cubetti di ghiaccio si sciolgono. Ma in MBL, un oggetto composto da molti corpi fortemente interagibili, come gli atomi, non raggiungono mai un tale equilibrio. Il calore, come il suono, è costituito da vibrazioni atomiche collettive e può viaggiare in onde; Un oggetto ha sempre tali onde di calore internamente. Ma quando c’è abbastanza disordine e abbastanza interazione nel modo in cui i suoi atomi sono disposti, le onde possono essere intrappolate, impedendo così all’oggetto di raggiungere l’equilibrio.

Il many-body localization (MBL) era stato dimostrato in “reticoli ottici”, accordi di atomi a temperature molto fredde tenuti in posizione utilizzando laser. Ma tali configurazioni non sono impraticabili. MBL aveva anche dimostrato probabilmente i sistemi solidi, ma solo con dinamiche temporali molto lente, in cui l’esistenza della fase è difficile da dimostrare perché l’equilibrio potrebbe essere raggiunto se i ricercatori potessero aspettare abbastanza a lungo. La ricerca del Massachusetts Institute of Technology (MIT) ha trovato una firma di MBL in un sistema “Solid-State” – fatto di semiconduttori – che altrimenti avrebbe raggiunto l’equilibrio nel tempo in cui è stato guardato.

«Potrebbe aprire un nuovo capitolo nello studio delle dinamiche quantiche», afferma il dottor Rahul Nandkishore, (1) un fisico presso l’Università del Colorado a Boulder, che non è stato coinvolto nel lavoro.

Il dottor Mingda Li, (2) Norman C Rasmussen Assistant Professor Nuclear Science and Engineering presso il MIT, ha guidato il nuovo studio, pubblicato su Nano Letters. (3) I ricercatori hanno costruito un sistema contenente strati semiconduttori alternanti, creando un microscopic lasagna – arsenide in alluminio, seguita da Gallio Arsenide, e così via, per 600 strati, ogni 3 nanometri (milionesmi di millimetro) spesso. Tra i livelli hanno disperso “nanodotti”, particelle di 2 nanometri di Arsenide di Erbio, per creare disturbo. La lasagna, o “superlattice”, è arrivata in tre ricette: una senza nanodotti, una in cui i nanodotti coprivano l’8 per cento dell’area di ciascun livello e uno in cui coprivano il 25 per cento.

Per accertarsi se questi sistemi disordinati rimangono ancora in equilibrio, i ricercatori li hanno misurati con i raggi X. Utilizzando la fonte di fotoni avanzata del laboratorio nazionale di Argonne, hanno sparato fasci di radiazione ad un’energia di oltre 20.000 elettroni con lo scopo di risolvere la differenza di energia tra la radiografia in entrata e dopo il suo riflesso dalla superficie del campione con una risoluzione energetica pari a meno di un millesimo di un volt. Per evitare di penetrare il superlettice e colpire il substrato sottostante, lo hanno sparato ad un angolo di una sola misura di parallelo.

La luce può essere misurata come onde o particelle e quindi può anche riscaldare. La vibrazione collettiva atomica per il calore sotto forma di un’unità di trasporto termica è chiamata Phonon. I raggi X interagiscono con questi Phonon e misurare come i raggi X riflettono il campione. Gli sperimentatori possono determinare se è in equilibrio.

I fisici hanno scoperto che quando il superlattice era freddo – 30 Kelvin, circa – 400 gradi Fahrenheit – e conteneva nanodotti, i suoi fonomi a determinate frequenze non erano in equilibrio.

Resta più lavoro da dimostrare in modo conclusivo che il many-body localization (MBL) è stato raggiunto, ma «Questa nuova fase quantica può aprire una piattaforma completamente nuova per esplorare fenomeni quantici», afferma LI «con molte potenziali applicazioni, dallo stoccaggio termico al calcolo quantistico».

Per creare qubits, alcuni computer quantici impiegano macchie di materia chiamate punti quantistici. Il dottor Mingda Li afferma che i punti quantici simili ai suoi nanodotti potrebbero fungere da qubit. I magneti potrebbero leggere o scrivere i loro stati quantici, mentre la localizzazione di molti corpi li manterrebbe isolati da calore e altri fattori ambientali.

In termini di stoccaggio termico, tale superlattice potrebbe entrare e uscire da una fase many-body localization (MBL) controllando magneticamente i nanodotti. Potrebbe isolare le parti del computer dal calore in un momento, quindi consentire alle parti di disperdere il calore quando non causerà danni. Oppure potrebbe consentire il calore di accumularsi e essere sfruttato in seguito per generare elettricità.

Convenientemente, le superlattices con i nanodotti possono essere costruite utilizzando tecniche tradizionali per la fabbricazione di semiconduttori, accanto ad altri elementi di chip per computer. Secondo Li, «è uno spazio di design molto più grande che con il doping chimico, e ci sono numerose applicazioni».

«Sono entusiasta di vedere che le firme di MBL possono ora essere trovate anche nei sistemi di materiale reale», afferma Immanuel Bloch, direttore scientifico del Max-Planck-Institute of Quantum Optics, del nuovo lavoro. «Credo che questo ci aiuterà per capire meglio le condizioni in base al quale l’MBL può essere osservato in diversi sistemi quantistici al corpo e quanto possibile l’accoppiamento all’ambiente influisce sulla stabilità del sistema. Queste sono domande fondamentali e importanti e l’esperimento del MIT è un passo importante che ci aiuta a dare delle risposte».

Il finanziamento di questo lavoro scientifico è stato fornito dal U.S. Department of Energy’s Basic Energy Sciences program’s Neutron Scattering Program.

Riferimenti:

(1) Rahul Nandkishore

(2) Mingda Li

(3) Signature of Many-Body Localization of Phonons in Strongly Disordered Superlattices

Descrizione foto: La configurazione per la dispersione dei X milli-electronvolt inelastic X-ray scattering che sonda la localizzazione di molti corpi nel sistema di superlettice disordinato. – Credit: Massachusetts Institute of Technology (MIT).

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: A peculiar state of matter in layers of semiconductors

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