Il niobio per pc e comunicazioni quantistiche

 Il niobio, scoperto da Charles Hatchett nel 1801, è un metallo di transizione raro che presenta molteplici applicazioni: nel settore siderurgico come elemento di lega per acciai inossidabili, nell’industria elettronica, in quella elettrica e nucleare.

Nel corso degli anni l’interesse dalla comunità scientifica per tale materiale ha avuto una crescita esponenziale, date le caratteristiche peculiari del niobio, soprattutto quando questo viene drogato o combinato con altri elementi per formare composti ionici e portato a bassa temperatura, infatti, al di sotto di una temperatura caratteristica il niobio diviene un superconduttore .

Il niobio diviene dunque un materiale interessante quando risulta combinato con l’azoto per formare nitruro di niobio (NbN), un composto ionico con reticolo cristallino cubico semplice formato dallo ione niobio (Nb3+) e dallo ione nitruro (N3-). Questo composto diviene un  superconduttore alla temperatura di 16 K (), ma risulta interessante per le applicazioni se portato a 4.2 K mediante immersione in elio liquido; l’elio si presenta allo stato liquido alla temperatura di 0.9 K.

Cosa è la superconduttività?

La superconduttività è un fenomeno fisico, presente in alcuni materiali, comporta resistenza elettrica nulla ed espulsione delle linee di campo magnetico quando questi materiali operano al di sotto di un valore di temperatura caratteristica nota come temperatura critica (Tc), o di campo magnetico detto campo magnetico critico (Bc). Questo fenomeno fisico non è spiegabile mediante la fisica classica, ma necessita della meccanica quantistica per una completa descrizione.

 

Computer e comunicazioni quantistiche

Al giorno d’oggi, sempre più di frequente, si sente parlare di computer quantistici e computing quantistico, rispettivamente sistemi e linguaggi computazionali basati su modelli non-classici, o meglio quantistici. Tali sistemi operano mediante la crittografia quantistica (Quantum Key Distribution QKD) che sfrutta le leggi della meccanica quantistica per permettere a due individui di scambiarsi in modo sicuro e segreto “la chiave” con cui viene codificata (e criptata) un’informazione o dei dati che devono essere comunicati.

La chiave viene codificata, per esempio, sfruttando gli stati di polarizzazione di singoli fotoni, in questo modo la sicurezza della trasmissione viene garantita dalle leggi della meccanica quantistica, come il principio d’indeterminazione di Heisenberg o il collasso della funzione d’onda e risulta dunque inaccessibile ad esterni.

Come è fatto un rilevatore di singoli fotoni

Per identificare gli stati di polarizzazione di singoli fotoni, o determinare l’energia di questi, i comuni fotorivelatori (in grado di identificare l’intensità della radiazione luminosa rilevata) non presentano sensibilità sufficiente, di conseguenza, sono necessari rivelatori di singolo fotone basati su materiali superconduttori.

I rivelatori superconduttori di singolo fotone (Superconducting Single Photon Detector, SSPD), basati su nano-fili superconduttori, sfruttano il nitruro di niobio (NbN). È interessante notare che, a differenza di un comune circuito realizzato con un comune conduttore metallico (rame, argento, oro), in cui al diminuire della temperatura la resistenza elettrica diminuisce fino ad un valore finito, in prossimità dello zero assoluto, in un circuito chiuso superconduttore una corrente elettrica può scorrere indefinitamente senza che alcun generatore alimenti il sistema, cioè, la resistenza elettrica si annulla completamente e in modo istantaneo raggiunto il valore della temperatura critica Tc (o Bc).

Gli SSPD sono costituiti da un singolo nanofilo di larghezza 100 nm e spesso tra i 4 e i 5 nm, per migliorare l’accoppiamento del dispositivo con la radiazione elettromagnetica incidente il nanofilo è disposto con una particolare geometria a meandro,

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Author: Chimicamo

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