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Tecnologie quantistiche: dalla ricerca Cnr Nano una nuova piattaforma per circuiti superconduttivi
Un team di ricercatori dell'Istituto nanoscienze del Cnr (Cnr Nano) ha sviluppato un approccio innovativo all'elettronica superconduttiva, ideando una piattaforma chiamata InAs-on-Insulator (InAsOI). Questa soluzione migliora le prestazioni dei circuiti quantistici superconduttivi, favorendo miniaturizzazione e funzionalità avanzate, con nuove prospettive per le tecnologie quantistiche del futuro.
La ricerca, pubblicata su Advanced Functional Materials, è stata coordinata da Francesco Giazotto di Cnr Nano, con il contributo di Alessandro Paghi, Giorgio De Simoni, Omer Arif e Lucia Sorba, di Cnr Nano, e di Giacomo Trupiano della Scuola Normale Superiore.
Lo studio si è concentrato su circuiti superconduttivi ibridi, basati su materiali semiconduttori come l'arseniuro di indio (InAs) e superconduttori come l'alluminio, fondamentali per lo sviluppo dell'elettronica quantistica veloce e a basso consumo energetico. Solitamente questi circuiti sono realizzati su substrati tridimensionali, pozzi quantici bidimensionali o nanofili unidimensionali, soluzioni che presentano limiti specifici. Il nuovo substrato InAs-on-insulator offre vantaggi unici rispetto a queste alternative.
La piattaforma InAs-on-insulator (InAsOI ) è costituita da uno strato sottile di arseniuro di indio (InAs) cresciuto mediante una tecnica di crescita epitassiale su uno strato metamorfico InAlAs, che funge da isolante elettrico a basse temperature. "Le proprietà isolanti di questo strato, quando si opera a temperature criogeniche ovvero bassissime, riducono efficacemente le interferenze elettriche indesiderate tra dispositivi adiacenti, una caratteristica cruciale per la miniaturizzazione e l'integrazione di circuiti complessi", spiega Alessandro Paghi.
"Ulteriore vantaggio della piattaforma InAsOI è la possibilità di modificare localmente la densità elettronica dello strato di InAs dopo la crescita del materiale. Questo consente un controllo più preciso di proprietà elettroniche importanti e la possibilità di realizzare dispositivi quantistici con proprietà diverse sullo stesso substrato".
I circuiti superconduttivi ibridi testati dai ricercatori sulla nuova piattaforma InAsOI hanno mostrato ottime prestazioni, tra cui la capacità di sostenere correnti non dissipative elevate. "Rispetto alle piattaforme superconduttive esistenti e consolidate, la nuova InAsOI offre prestazioni competitive o superiori", commenta Francesco Giazotto, che a Cnr Nano guida il Laboratorio di elettronica quantistica superconduttiva (SQEL).
"Permette infatti di realizzare dispositivi esposti in superficie, semplificando la lavorazione, riduce le interferenze tra circuiti vicini e supporta supercorrenti elevate, favorendo la miniaturizzazione senza compromessi sulle prestazionii".
"InAsOI apre inoltre la strada allo studio di fenomeni quantistici innovativi, come la supercorrente non reciproca e le transizioni di fase topologiche, e supporta diverse architetture elettroniche quantistiche, tra cui qubit superconduttivi, transistori superconduttivi, diodi ed interferometri", conclude il ricercatore.
La piattaforma InAsOI è stata sviluppata presso il laboratorio Nest della Scuola Normale Superiore di Pisa, grazie alla collaborazione tra due team di Cmr Nano: il gruppo MBE, guidato da Lucia Sorba, e il laboratorio SQEL, diretto da Francesco Giazotto.
I substrati InAsOI sono stati cresciuti mediante la tecnica della Molecular Beam Epitaxy, mentre le giunzioni Josephson sono state fabbricate e caratterizzate a temperature prossime allo zero assoluto nel laboratorio SQEL. Lo studio è stato supportato dai progetti europei SPECTRUM e SUPERGATE.
Lo studio si è concentrato su circuiti superconduttivi ibridi, basati su materiali semiconduttori come l'arseniuro di indio (InAs) e superconduttori come l'alluminio, fondamentali per lo sviluppo dell'elettronica quantistica veloce e a basso consumo energetico. Solitamente questi circuiti sono realizzati su substrati tridimensionali, pozzi quantici bidimensionali o nanofili unidimensionali, soluzioni che presentano limiti specifici. Il nuovo substrato InAs-on-insulator offre vantaggi unici rispetto a queste alternative.
La piattaforma InAs-on-insulator (InAsOI ) è costituita da uno strato sottile di arseniuro di indio (InAs) cresciuto mediante una tecnica di crescita epitassiale su uno strato metamorfico InAlAs, che funge da isolante elettrico a basse temperature. "Le proprietà isolanti di questo strato, quando si opera a temperature criogeniche ovvero bassissime, riducono efficacemente le interferenze elettriche indesiderate tra dispositivi adiacenti, una caratteristica cruciale per la miniaturizzazione e l'integrazione di circuiti complessi", spiega Alessandro Paghi.
"Ulteriore vantaggio della piattaforma InAsOI è la possibilità di modificare localmente la densità elettronica dello strato di InAs dopo la crescita del materiale. Questo consente un controllo più preciso di proprietà elettroniche importanti e la possibilità di realizzare dispositivi quantistici con proprietà diverse sullo stesso substrato".
I circuiti superconduttivi ibridi testati dai ricercatori sulla nuova piattaforma InAsOI hanno mostrato ottime prestazioni, tra cui la capacità di sostenere correnti non dissipative elevate. "Rispetto alle piattaforme superconduttive esistenti e consolidate, la nuova InAsOI offre prestazioni competitive o superiori", commenta Francesco Giazotto, che a Cnr Nano guida il Laboratorio di elettronica quantistica superconduttiva (SQEL).
"Permette infatti di realizzare dispositivi esposti in superficie, semplificando la lavorazione, riduce le interferenze tra circuiti vicini e supporta supercorrenti elevate, favorendo la miniaturizzazione senza compromessi sulle prestazionii".
"InAsOI apre inoltre la strada allo studio di fenomeni quantistici innovativi, come la supercorrente non reciproca e le transizioni di fase topologiche, e supporta diverse architetture elettroniche quantistiche, tra cui qubit superconduttivi, transistori superconduttivi, diodi ed interferometri", conclude il ricercatore.
La piattaforma InAsOI è stata sviluppata presso il laboratorio Nest della Scuola Normale Superiore di Pisa, grazie alla collaborazione tra due team di Cmr Nano: il gruppo MBE, guidato da Lucia Sorba, e il laboratorio SQEL, diretto da Francesco Giazotto.
I substrati InAsOI sono stati cresciuti mediante la tecnica della Molecular Beam Epitaxy, mentre le giunzioni Josephson sono state fabbricate e caratterizzate a temperature prossime allo zero assoluto nel laboratorio SQEL. Lo studio è stato supportato dai progetti europei SPECTRUM e SUPERGATE.
Settori: Elettronica, Informatica
Parole chiave: Elettronica
