Realizzato il pompaggio quantistico di carica

Un gruppo di ricerca dell'Istituto nanoscienze del Consiglio nazionale delle ricerche (Nano-Cnr) ha realizzato un dispositivo in grado di implementare un meccanismo quantistico predetto dalla teoria ma mai osservato fino ad ora: il pompaggio quantistico di elettroni. Si tratta della prima evidenza sperimentale di tale fenomeno, osservata ora grazie a un dispositivo nanometrico basato su materiali superconduttori e semiconduttori operante a temperature prossime allo zero assoluto. Lo studio, pubblicato su Nature Physics, è stato condotto da Francesco Giazotto del laboratorio Nest di Nano-Cnr e Scuola Normale Superiore di Pisa, con il contributo dell'Università di Wellington.

Lo studio del pompaggio quantistico è un campo di ricerca della meccanica quantistica molto attivo, ma sempre rimasto nell'ambito della fisica teorica. L'unico tentativo sperimentale di realizzarlo, condotto nel 1999 alla Stanford University, ha dimostrato la difficoltà di modulare temporalmente le grandezze quantistiche di un dispositivo nanoscopico, poi nessuno più si è misurato con questa impresa. Ora il nuovo esperimento messo a punto da Giazotto e colleghi ha utilizzato effetti di superconduttività per modulare le variabili quantistiche adatte ad indurre il pompaggio di carica.

"Nel mondo classico, per muovere gli elettroni all'interno di un materiale conduttore, si applica una tensione ai suoi capi e gli elettroni, spostandosi, generano una corrente", spiega il ricercatore di Nano-Cnr. "Ma la teoria prevede che in dispositivi che operano secondo i principi della meccanica quantistica le cose vadano diversamente: in una pompa di carica nanoscopica il trasferimento di carica consiste di alcuni elettroni o persino frazioni di elettrone per ciclo di pompaggio. Ma la previsione più interessante è che sia possibile generare una corrente elettrica senza applicare una differenza di potenziale dall'esterno, bensì limitandosi a sfruttare grandezze quantistiche del sistema. Più precisamente, è la variazione nel tempo di opportune grandezze quantistiche che può agire come meccanismo di pompaggio, inducendo così il passaggio di una corrente".

Giazotto spiega così l'esperimento condotto: "Abbiamo sfruttato un effetto tipico della superconduttività, l'effetto Josephson, per generare i parametri quantistici dipendenti dal tempo in un interferometro quantistico superconduttivo, noto come Squid. Ed effettivamente in un nanofilo di arseniuro di indio incluso nello Squid abbiamo misurato il passaggio di corrente in assenza di voltaggio applicato". Continua Giazotto: "Abbiamo verificato che fossero rispettate una serie di simmetrie attese per le grandezze misurate e, dopo prolungate misure, i nostri risultati sperimentali sono risultati compatibili con un meccanismo di pompaggio quantistico".

L'esperimento è importante dal punto di vista concettuale perché dimostra che il principio del pompaggio quantistico, teorizzato per quasi trent'anni, è concretamente realizzabile. "Il prossimo passo", conclude il ricercatore, "potrebbe essere quello di realizzare un esperimento analogo ma con materiali totalmente diversi, con l'obiettivo di studiare il ruolo del pompaggio quantistico in sistemi elettronici differenti, come nanotubi di carbonio o grafene, oggi di grande interesse sia per la ricerca che per la tecnologia".

Fonte: Francesco Giazotto, Istituto Nanoscienze del Cnr - Responsabile Comunicazione, tel. 050-509413 , email f.giazotto@sns.it -