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Una pila de fase para tecnologías cuánticas

  • Investigación

Fecha de primera publicación: 16/06/2020

Imagen artística de la primera pila de fase, que consiste en un nano cable de arseniuro de Indio (InAs) en contacto con cables superconductores de aluminio. Créditos de la imagen: Andrea Iorio.

Las pilas forman parte de nuestra vida cotidiana. Una pila clásica, la pila de Volta, convierte la energía química en un voltaje, que puede después alimentar circuitos electrónicos. En muchas tecnologías cuánticas, los circuitos o dispositivos se basan en materiales superconductores. En tales materiales, las corrientes pueden fluir sin necesidad de un voltaje aplicado; por lo tanto, no hay necesidad de una pila clásica en tal sistema. Estas corrientes se denominan supercorrientes porque no presentan pérdidas de energía. Son inducidas no por un voltaje sino por una diferencia de fase de la función de onda del circuito cuántico, que está directamente relacionada con la naturaleza ondulatoria de la materia. De tal manera que un dispositivo cuántico capaz de proporcionar una diferencia de fase persistente puede verse como una pila de fase cuántica, que induce supercorrientes en un circuito cuántico.

En este trabajo, los autores presentan los resultados de una colaboración teórica y experimental que ha llevado a la fabricación de la primera pila de fase cuántica. La idea fue concebida por primera vez en 2015, por Sebastian Bergeret del grupo de física mesoscópica del Centro de Física de Materiales (CFM, CSIC-UPV/EHU), una iniciativa conjunta del Consejo Superior de Investigaciones científicas (CSIC) y la Universidad del País Vasco (UPV/EHU), e Ilya Tokatly, Profesor Ikerbasque del grupo de Nanoespectroscopia de la UPV/EHU, ambos investigadores asociados del Donostia International Physics Center (DIPC). Ambos propusieron un sistema teórico con las propiedades necesarias para construir la pila de fase. Consiste en una combinación de materiales superconductores y magnéticos con un efecto relativista intrínseco, llamado acoplamiento espín-órbita.

Unos años más tarde Francesco Giazotto y Elia Strambini del Instituto NEST-CNR de Pisa, identificaron una combinación de materiales adecuada y fabricaron la primera pila de fase cuántica cuyos resultados se publican ahora en la prestigiosa revista Nature Nanotechnology (Link). Consiste en un nano cable de InAs n-dopado que forma el núcleo de la batería (la pila) y cables superconductores de Al como polos. La pila se carga mediante la aplicación de un campo magnético externo, que luego puede ser apagado.

Cristina Sanz-Fernández y Claudio Guarcello, también del CFM, adaptaron la teoría para simular los hallazgos experimentales.

A día de hoy, el personal investigador del laboratorio de Nanofísica y el Grupo de Física Mesoscópica, ambos del CFM, continúa trabajando en las mejoras que definan el futuro de esta pila. Este trabajo contribuye a los enormes avances que se están realizando en la tecnología cuántica que se espera revolucionen tanto las técnicas de computación y detección, como la medicina y las telecomunicaciones en un futuro próximo.

Referencia bibliográfica

  • Elia Strambini, Andrea Iorio, Ofelia Durante, Roberta Citro, Cristina Sanz-Fernández, Claudio Guarcello, Ilya V. Tokatly, Alessandro Braggio, Mirko Rocci, Nadia Ligato, Valentina Zannier, Lucia Sorba, F. Sebastian Bergeret, and Francesco Giazotto. A Josephson phase battery Nature Nanotechnology DOI: 10.1038/s41565-020-0712-7