Il niobio per pc e comunicazioni quantistiche

Charles Hatchett  scoprì il niobio nel 1801. Esso 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 (N^3-). 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, con un’area totale di circa 80-100. Il sistema opera a temperature inferiori alla temperatura critica e sono polarizzati con una corrente I_b, di poco inferiore alla corrente critica di stripe I_C caratteristica del materiale. Definiamo, per semplificare, la I_C come la corrente massima caratteristica del materiale che può essere trasportata dal dispositivo SSPD pur rimanendo allo stato superconduttivo.

Come funziona un rilevatore di singolo fotone

È possibile descrivere e illustrare il ciclo di rilevamento di un fotone e la formazione dell’hot spot. L’SSPD è mantenuto al di sotto della temperatura critica e vi è applicata una bias (I_b)tale per cui la corrente di bias I_b risulti appena inferiore alla corrente critica I_c (i).

Quando un fotone viene assorbito dall’SSPD si crea un hot spot resistivo (ii). La supercorrente (I_b) è dunque forzata a fluire intorno alla periferia dell’hot spot, ma dato che la stripe in NbN è molto stretta, la densità di corrente locale intorno all’hot spot aumenta notevolmente, superando il valore della supercorrente critica I_c (iii). Questo meccanismo comporta la formazione e crescita di una zona resistiva che funge da barriera (zona rossa) lungo la larghezza della stripe (iv). Il riscaldamento Joule che si verifica a seguito della formazione dello stato resistivo incrementa la crescita della regione resistiva lungo l’asse della stripe (v), finché il flusso di supercorrente (I_b) non viene bloccato completamente.

L’assorbimento di un fotone “eccita” il NbN e comporta dunque una corrente, deviata su di un circuito esterno che presenza una resistenza di carico: questo consente alla regione resistiva di attenuarsi ed al filo di ritornare nuovamente e completamente allo stato di superconduttore (vi). A questo punto la corrente di polarizzazione attraverso il nanofilo torna al suo valore originale. La resistenza di carico del circuito esterno risulta fondamentale per rilevare l’impulso di tensione che si osserva a seguito dell’assorbimento di un singolo fotone.

Altre applicazioni oltre la crittografia quantistica

Data l’elevata sensibilità di tali sistemi e la possibilità di rilevare singoli fotoni grazie alle proprietà del NbN, risulta dunque di grande interesse per le applicazioni di comunicazioni quantiche per la crittografia di comunicazioni quantistiche, di fotonica, ma anche per applicazioni nel dominio della riflettometria ottica e laser, oltre che per applicazioni in astrofisica, in quanto rivelatori a singolo fotone possono migliorare drasticamente le prestazioni dei telescopi in orbita fornendo informazioni dettagliate sull’energia di fotoni provenienti da fonti molto deboli. Ad oggi il niobio e il NbN è stato utilizzato nel progetto Gravity Probe B della NASA, che ha misurato per la prima volta gli effetti previsti dalla teoria della relatività generale di Einstein.

A cura di Ciro Formicola