Un materiale scoperto durante la Seconda Guerra Mondiale potrebbe rivoluzionare il futuro dell'informatica quantistica e ridurre drasticamente i consumi energetici dei data center che alimentano l'intelligenza artificiale e i servizi online. Il titanato di bario, un cristallo noto da oltre ottant'anni per le sue straordinarie proprietà elettro-ottiche, sta vivendo una seconda giovinezza grazie a una innovativa tecnica di manipolazione sviluppata dai ricercatori della Penn State University. La chiave sta nel trasformare questo materiale tridimensionale in pellicole ultrasottili sottoposte a tensione meccanica, creando una struttura cristallina che in natura non esiste.
La questione energetica dei data center rappresenta oggi una sfida cruciale per l'industria tecnologica. Questi enormi impianti, che sostengono tutto dall'intelligenza artificiale ai servizi di streaming, consumano quantità spropositate di elettricità, gran parte della quale serve proprio per il raffreddamento. Il problema nasce dal fatto che gli elettroni, muovendosi attraverso i cavi, generano calore. I fotoni invece, essendo particelle di luce, possono trasportare informazioni senza produrre il surriscaldamento tipico delle connessioni elettriche tradizionali.
"Le tecnologie fotoniche integrate stanno diventando sempre più interessanti per le aziende che gestiscono grandi data center", ha spiegato Aiden Ross, uno degli autori principali dello studio pubblicato su Advanced Materials. "L'idea fondamentale è che potremmo inviare informazioni attraverso questi centri usando fotoni anziché elettroni, permettendoci di trasmettere molti flussi di dati in parallelo, senza doverci preoccupare del surriscaldamento dell'elettronica o delle infrastrutture necessarie per mantenere freschi tali impianti."
Il titanato di bario è sempre stato considerato nella comunità scientifica come un materiale campione per l'elettro-ottica, almeno sulla carta. Nella sua forma cristallina tridimensionale presenta alcuni dei valori più elevati mai registrati a temperatura ambiente per la conversione tra segnali elettrici e ottici. Eppure, paradossalmente, non è mai diventato lo standard industriale. Quel ruolo è andato al niobato di litio, un materiale meno performante ma più stabile e più facile da lavorare industrialmente.
La svolta arriva dalla manipolazione fisica del materiale. Il team guidato da Venkat Gopalan, professore di scienza dei materiali alla Penn State, ha trasformato il titanato di bario in pellicole spesse circa 40 nanometri, migliaia di volte più sottili di un capello umano. Facendo crescere il film su un altro cristallo, i ricercatori hanno forzato gli atomi ad assumere nuove posizioni, creando quella che gli scienziati definiscono una fase metastabile, ovvero una struttura cristallina che non si verifica naturalmente nella forma massiva del materiale.
Albert Suceava, dottorando in scienza dei materiali e coautore dello studio, ha utilizzato una metafora efficace per spiegare il concetto: "Tutto in natura vuole esistere nel suo stato di energia più basso. Pensate a una palla su una collina: naturalmente rotolerebbe ai piedi della collina. Ma se la tenete tra le braccia, le avete dato un nuovo posto dove riposare finché qualcuno non arriva e vi dà una spinta, facendovi cadere la palla dalle mani così che possa rotolare giù dalla collina. La fase metastabile è come tenere la palla: esiste solo perché abbiamo fatto qualcosa al materiale che gli permette di assumere questa nuova struttura, almeno finché non viene disturbato."
Le fasi metastabili possono manifestare proprietà che la versione stabile non possiede. Nel caso specifico, la fase stabile del titanato di bario perde gran parte delle sue prestazioni elettro-ottiche alle temperature criogeniche, quelle estremamente basse necessarie per il funzionamento dei computer quantistici basati su circuiti superconduttori. La fase metastabile creata dal team non solo evita questa caduta di prestazioni, ma mostra una risposta eccezionale, migliorando la conversione da elettroni a fotoni di oltre dieci volte rispetto a quanto dimostrato finora a temperature criogeniche.
Questo risultato apre prospettive concrete per l'informatica quantistica, uno dei settori più promettenti ma anche più problematici della tecnologia contemporanea. Attualmente i ricercatori utilizzano segnali a microonde per trasmettere informazioni tra i qubit, le unità base dell'informazione quantistica. Tuttavia questi segnali si attenuano rapidamente, rendendo difficile inviare dati su lunghe distanze. "I segnali a microonde funzionano per i qubit su un chip, ma sono terribili per la trasmissione a lunga distanza", ha chiarito Suceava. "Per passare dai singoli computer quantistici a reti quantistiche distribuite su più computer, le informazioni devono essere convertite in un tipo di luce che siamo già molto bravi a trasmettere su lunghe distanze, come la luce infrarossa utilizzata per internet in fibra ottica."
La conversione efficiente tra informazione elettrica e ottica rappresenta quindi il ponte mancante tra i computer quantistici isolati e le vere reti quantistiche. Mentre i qubit superconduttori richiedono temperature vicine allo zero assoluto per funzionare, la trasmissione dell'informazione tra computer quantistici distanti potrebbe avvenire attraverso la tradizionale fibra ottica a temperatura ambiente, sfruttando infrastrutture già esistenti.
Sankalpa Hazra, altro coautore principale dello studio e dottorando in scienza dei materiali, ha sottolineato che l'approccio delle pellicole sottili sottoposte a tensione potrebbe applicarsi a un'ampia gamma di materiali. Il team sta già guardando oltre il titanato di bario. "Raggiungere questo risultato con il titanato di bario è stato un caso di applicazione di un nuovo approccio progettuale a un sistema di materiali molto classico e ben studiato", ha affermato Gopalan. "Ora che comprendiamo meglio questa strategia progettuale, abbiamo alcuni sistemi di materiali meno studiati a cui vogliamo applicare lo stesso approccio. Siamo molto ottimisti che alcuni di questi sistemi supereranno persino le prestazioni incredibili ottenute dal titanato di bario."