Nella fisica della materia condensata, la ricerca di superconduttori topologici rappresenta uno degli obiettivi più ambiziosi degli ultimi anni. Questi materiali straordinari, che combinano superconduttività e proprietà topologiche, costituiscono la base teorica su cui potrebbero poggiare i computer quantistici di prossima generazione, capaci di affrontare problemi oggi inaccessibili anche ai più potenti supercomputer, dalla scoperta di nuovi farmaci alla crittografia avanzata. Il principale ostacolo alla loro realizzazione pratica è sempre stato di natura squisitamente materica: questi composti sono estremamente difficili da produrre con sufficiente uniformità e controllo. Un gruppo di ricerca congiunto dell'Università di Chicago Pritzker School of Molecular Engineering e della West Virginia University ha ora pubblicato su Nature Communications i risultati di un approccio sperimentale che potrebbe cambiare le carte in tavola.
Il materiale al centro dello studio è il tellururo-selenuro di ferro, noto nella letteratura scientifica per la sua rara capacità di combinare superconduttività, forte accoppiamento spin-orbita e correlazioni elettroniche pronunciate. Come ha spiegato Subhasish Mandal, professore assistente di fisica alla West Virginia University e coautore del lavoro, «questo materiale porta con sé tutti gli ingredienti essenziali che si potrebbero sperare in una piattaforma per la superconduttività topologica: superconduttività intrinseca, forte accoppiamento spin-orbita e correlazioni elettroniche marcate». Questa triade di proprietà lo rende un sistema ideale per studiare come diversi effetti quantistici interagiscano e competano tra loro.
In passato, questo composto era stato prodotto sotto forma di cristalli massivi, che però presentano due criticità fondamentali: la difficoltà di manipolazione e la variabilità nella composizione chimica da una regione all'altra del campione, con conseguente instabilità dei risultati sperimentali. Il gruppo guidato da Shuolong Yang, professore assistente di Ingegneria Molecolare a UChicago e autore senior dello studio, ha invece sviluppato film ultrasottili dello stesso materiale, ottenendo un controllo chimico significativamente superiore rispetto ai cristalli bulk.
La chiave metodologica dell'intero lavoro risiede nella modulazione precisa del rapporto tra tellurio e selenio nella formula chimica del composto. Variando questa proporzione, i ricercatori hanno scoperto di poter modificare l'intensità delle correlazioni elettroniche all'interno del materiale, agendo di fatto come una manopola di regolazione fine che guida il sistema da una fase quantistica all'altra, fino al raggiungimento dello stato superconduttore topologico. Le correlazioni elettroniche — ovvero la misura in cui il comportamento di un elettrone influenza quello degli altri — si rivelano dunque il parametro critico su cui intervenire per ingegnerizzare le proprietà quantistiche desiderate.
Dal punto di vista applicativo, i film sottili presentano vantaggi concreti rispetto alle alternative oggi studiate. La temperatura operativa raggiunge i 13 Kelvin, un valore notevolmente superiore alle piattaforme basate sull'alluminio, che richiedono temperature di circa 1 Kelvin. Questa differenza non è trascurabile: operare a 13 Kelvin consente di utilizzare sistemi di raffreddamento a elio liquido standard, più economici e diffusi rispetto alle tecnologie necessarie per scendere a temperature ulteriormente basse. Inoltre, la morfologia a film sottile garantisce una uniformità compositiva molto maggiore rispetto ai cristalli massivi, un requisito fondamentale per la fabbricazione di dispositivi riproducibili.
Come ha sottolineato Lin, «se si vuole usare questo materiale in un'applicazione reale, occorre poterlo far crescere come film sottile, invece di cercare di esfoliare strati da un cristallo che potrebbe non avere una composizione coerente». La compatibilità con le tecniche moderne di fabbricazione di dispositivi è un elemento cruciale nella transizione dalla ricerca di base verso prototipi funzionali. Non a caso, diversi gruppi di ricerca stanno già collaborando con il laboratorio di Yang per strutturare questi film e costruire i primi dispositivi quantistici prototipali.
Dal punto di vista teorico, lo studio contribuisce a chiarire come effetti quantistici distinti — la superconduttività convenzionale da un lato, le proprietà topologiche dall'altro — possano essere manipolati congiuntamente attraverso un singolo parametro compositivo. Questa possibilità di controllo integrato apre prospettive nuove nella progettazione razionale di materiali quantistici, un campo in cui la capacità di prevedere e guidare le transizioni di fase è ancora in gran parte empirica. Yang ha definito questo risultato «uno strumento potente per progettare i materiali di cui i computer quantistici di prossima generazione avranno bisogno».
Le domande aperte restano numerose. I ricercatori stanno continuando a caratterizzare le proprietà del tellururo-selenuro di ferro in forma di film sottile, in particolare per quanto riguarda la stabilità degli stati topologici in condizioni operative reali e la loro resistenza al rumore ambientale — la principale causa di decoerenza nei sistemi quantistici attuali. Il passo successivo, già in corso in collaborazione con altri gruppi, è la realizzazione di dispositivi funzionali che permettano di testare la robustezza di questi stati in scenari applicativi concreti, avvicinando ulteriormente la fisica fondamentale dei superconduttori topologici alle esigenze dell'informatica quantistica.
