Superconduttività e relativi fenomeni quantistici macroscopici

John H. Miller Jr., dell’Università di Houston, Dipartimento di Fisica e del Texas Center for Superconductivity, ci guida attraverso la superconduttività e i relativi fenomeni quantistici macroscopici

Il comportamento quantistico si applica non solo ai sistemi microscopici, ma anche ai sistemi macroscopici. Le particelle di spin, i fermioni, obbediscono al principio di esclusione di Pauli, secondo il quale due particelle non possono occupare lo stesso stato quantistico. Al contrario, molte particelle con lo spin giusto, i bosoni, possono condensarsi in un unico stato microscopico.

In un superconduttore ⁽¹⁾al di sotto della sua temperatura critica o T_C Gli elettroni si condensano per formare un superfluido elettronico che scorre senza resistenza. Per poter condensare (spin ½) gli elettroni devono formare coppie. C’è un problema, tuttavia. Gli elettroni solitamente si respingono.

Sono stati risolti due problemi nella teoria della superconduttività Bardeen-Cooper-Schriver (BCS). Il primo è che l’interazione degli elettroni con le vibrazioni del reticolo cristallino (fononi) può causare un’attrazione netta. Un’altra è che l’accoppiamento avviene nello spazio della quantità di moto. I partner di ciascuna coppia di Cooper formano una funzione d’onda coerente che include molti altri elettroni nello spazio reale. La teoria BCS, con accoppiamento mediato da fononi e simmetria di accoppiamento delle onde s, spiegava la teoria classica, a bassa T_C Superconduttori.

Le cose cambiarono con la scoperta dell’alta T_C Superconduttività nei rame, come YBa₂Rame₃EHI₇ (Loro piangono). In contrasto con i superconduttori classici, YBCO mostra una simmetria di accoppiamento dell’onda D, indicando un accoppiamento non basato su fononi. (Il team dell’autore ha condotto alcuni degli esperimenti di base presso l’Università di Houston.) Un altro aspetto è che campi magnetici estremamente critici consentiranno la creazione di potenti elettromagneti per reattori a fusione nucleare tokamak compatti.

Computer quantistici superconduttori

L’informatica quantistica è una delle ultime applicazioni della superconduttività. La maggior parte dei computer quantistici superconduttori utilizza l’alluminio, con T_C 1,2 Kelvin. Si basano sul tunneling Josephson di elettroni accoppiati attraverso una sottile barriera dielettrica. L’energia di accoppiamento Josephson provoca un’induttanza cinetica non lineare. Questo è il motivo alla base del qubit trasmittente, che è essenzialmente un condensatore risonatore con induttore non lineare (LC). Quando viene raffreddata a temperature millikelvin (mK), la trasmissione si comporta come un “atomo artificiale”. I suoi due livelli energetici sono definiti come gli stati |0 e |1 del qubit.

Sfortunatamente, gli attuali computer quantistici superconduttori richiedono il raffreddamento mK utilizzando frigoriferi diluiti. Ciò limita la loro applicabilità a causa delle loro grandi dimensioni, del costo elevato e della rarità ³Sì, la potenza di raffreddamento è limitata.

Materiali e sistemi quantistici

Esiste quindi la necessità di scoprire materiali e sistemi quantistici che possano agire come risorse quantistiche più robuste dal punto di vista termico.

Un’onda di densità di carica (CDW) è un condensatore elettrone-fonone che si forma in materiali stratificati. ^(1,2) I CDW mostrano un trasferimento di elettroni di massa alle temperature più elevate conosciute a pressione ambiente, superiori al punto di ebollizione dell’acqua in alcuni materiali. La sua natura quantistica è stata rivelata attraverso esperimenti che coinvolgono oscillazioni di periodo H/2Hin corrente CDW rispetto al flusso magnetico in TaS₃ Anelli.

Alcuni CDW mostrano prove di apprendimento per rinforzo quantitativo. Nell’effetto memoria della durata dell’impulso (PDME), viene applicata una serie di impulsi di corrente rettangolari, mentre il CDW risponde con diverse oscillazioni di tensione. Dopo l’addestramento l’oscillazione finale della tensione CDW termina sempre al minimo, come se la lunghezza dell’impulso fosse nota in anticipo. Sono necessari 1-3 impulsi di addestramento, rispetto a centinaia o migliaia, e talvolta nessun apprendimento, nelle simulazioni classiche.

Pertanto i CDW potrebbero essere adatti per il calcolo dei serbatoi quantistici. Il serbatoio è un sistema dinamico, con strati di rete neurale (NN) ai suoi input e output, che riduce il costo di apprendimento. Il calcolo dei serbatoi quantistici e l’apprendimento automatico potrebbero emergere come tecnologie pervasive grazie alla loro ampia applicabilità.

Altre potenziali applicazioni

Altre potenziali applicazioni includono qubit superconduttori ibridi CDW per il calcolo quantistico basato su circuiti. In alcuni dispositivi proposti ⁽³⁾,I ruoli dell’elemento non lineare (rispetto alla trasmissione) sono scambiati nei ruoli non lineari AC e relativi risonatori. Ulteriori progressi richiederanno la scoperta dei comportamenti microscopici fondamentali dei CDW e dei relativi sistemi quantistici macroscopici.

Riferimenti

1. Barden, J. Superconduttività e altri fenomeni quantistici macroscopici. Fisica Oggi 43, 25–31, doi:10.1063/1.881218 (1990).
2. Miller, JH, Jr. & Suárez-Villagrán, Trasporto quantistico di onde di densità di carica di fluidi. Lettere di fisica applicata 118, 184002, doi:10.1063/5.0048834 (2021).
3. Miller, JH, Villagrán, MYS, Sanderson, JO & Wosik, J. Sistemi quantistici ibridi per l’elaborazione delle informazioni quantistiche ad alta temperatura. Transazioni IEEE sulla superconduttività applicata 33, 1-4, doi:10.1109/TASC.2023.3241131 (2023).