Progetto Top-Spin del Cnr studierà le proprietà quantistiche dei gas di elettroni bidimensionali che si formano all’interfaccia tra ossidi isolanti per applicazioni nel campo delle tecnologie quantistiche
Tra i progetti di ricerca italiani approvati dal Miur nell’ambito del Bando PRIN 2017, si segnala il progetto Top-Spin guidato dall’Istituto Spin del Cnr che studierà le proprietà quantistiche dei gas di elettroni bidimensionali che si formano all’interfaccia tra ossidi isolanti per applicazioni nel campo delle tecnologie quantistiche.
Il calcolo quantistico è stato concepito per affrontare problemi che computer classici non sono in grado di risolvere e che possono rivoluzionare la nostra società, dalla predizione dei fenomeni macroeconomici, alla modellizzazione e la predizione dei cambiamenti climatici, all’implementazione di schemi di comunicazione criptati, fino alla soluzione di problemi di fisica quantistica, chimica quantistica e biologia che possono portare alla progettazione e alla sintesi di nuovi materiali per l’energia e nuovi farmaci.
Tuttavia lo sviluppo dei computer quantistici, richiede la realizzazione di un processore composto da decine di quantum-bit (qu-bit, l’equivalente quantistico del bit classico), senza che lo stato quantistico del sistema sia perturbato significativamente dall’interazione con l’esterno. L’implementazione di tali sistemi non ha ancora raggiunto l’obiettivo minimo necessario che richiede la fabbricazione di sistemi composti da più di 50 qubit accoppiati.
Tra le possibili soluzioni proposte, i ricercatori stanno provando a realizzare qubit superconduttivi che si basano sull’utilizzo dell’accoppiamento tra lo spin degli elettroni e il loro momento orbitale (accoppiamento spin-orbita) e che favorisce, tra l’altro, la creazione di fermioni di Majorana, particelle quantistiche esotiche teorizzate all’inizio del ventesimo secolo dal Fisico Italiano Majorana.
Il progetto Top-Spin propone l’utilizzo di una nuova classe di materiali, i gas di elettroni bidimensionali che si formano all’interfaccia tra ossidi di metalli di transizione isolanti, per la realizzazione di una nuova generazione di qubit. Gli ossidi bidimensionali sono caratterizzati da proprietà uniche e straordinarie, in quanto superconduttori bidimensionali a forte accoppiamento tra lo spin e il momento orbitale dell’elettrone. Grazie a queste proprietà, tali materiali possono presentare una fase topologica, il nuovo stato quantistico della materia teorizzato dai premi nobel in Fisica del 2016 David Thouless, Duncan Haldane and Michael Kosterlitz. Gli ossidi bidimensionali sono quindi candidati alla realizzazione pratica delle proposte teoriche per il calcolo quantistico topologico, e presentano importanti vantaggi fondamentali e tecnologici, come la possibilità di scalare la tecnologia a sistemi complessi che includono un gran numero di qubit.
Top-Spin riunisce ricercatori del Cnr-Spin (M. Salluzzo, PI), dell’Università “Federico II” di Napoli (D. Stornaiuolo), dell’Università di Cagliari (A. Filippetti) e dell’Università della Calabria (D. Giuliano), e si propone di investigare gli stati topologici quantistici di tali sistemi. Il progetto si inserisce naturalmente nelle attività collegate alla Eu-Flagship sulle tecnologie quantistiche grazie al diretto coinvolgimento nel progetto Europeo Quantox (Quantera Era-net) coordinato dal CNR-SPIN stesso (M. Salluzzo PI).