Scambiare l’informazione attraverso trasferimenti di calore invece che attraverso segnali elettrici: è la prospettiva che si sta aprendo grazie a un nuovo settore della fisica che ha un nome piuttosto strano ma facilmente evocativo di qualcosa che è ricollegabile all’elettronica: ‘caloritronica coerente’. La denominazione è stata ideata da Francesco Giazotto, fisico dell’Istituto di Nanoscienze del Cnr di Pisa e iniziatore di questa promettente linea di ricerca.
Una linea relativamente nuova, avviata da Giazotto e pochi altri scienziati nel mondo negli ultimi cinque anni: riguarda la possibilità di manipolare le correnti termiche nello stesso modo in cui vengono manipolate le correnti elettriche. «Il nostro obiettivo – ha detto Giazotto a ilsussidiario.net – è di realizzare tutti i mattoni fondamentali della caloritronica coerente, in analogia a quanto si è fatto con l’elettronica coerente: in quel caso il trasporto di carica avviene su scala mesoscopica in base alla meccanica quantistica; la stessa cosa noi cerchiamo di ottenerla con il trasporto di calore». Giazotto chiarisce anche il senso dell’aggettivo ‘coerente’: «Trattandosi di circuiti superconduttori, sono essenziali gli effetti quantistici, quindi coerenti. In molti casi è importante la manipolazione della fase; inoltre la funzione d’onda dei portatori di carica e di calore rimane coerente su lunghe distanze spaziali (dove ‘lunghe’ equivale a decine di micron). In ogni caso, nella caloritronica studiamo fenomeni che sono descrivibili solo dalla meccanica quantistica».
Per lo sviluppo della caloritronica coerente è necessario realizzare tutti i blocchi fondamentali, come è avvenuto per l’elettronica: quindi un interferometro, un diodo, un transistor; ed è quello che sta facendo il gruppo di Giazotto al laboratorio NEST presso il Cnr-Nano, dove sono già arrivati i primi risultati: «Il nostro primo esperimento, tre anni fa, è consistito nella dimostrazione dell’interferenza con flussi di calore, a cui è seguita la realizzazione di un interferometro superconduttivo. Il secondo passo è stata la dimostrazione della possibilità, sempre col calore, di avere diffrazione, cioè il passaggio attraverso una singola fenditura (mentre per l’interferenza sono due, ndr), che poi ci ha permesso pochi mesi fa di arrivare alla realizzazione del diodo termico» È quest’ultimo risultato che ha avuto grande rilievo con la pubblicazione di un articolo su Nature Nanotechnology a firma, oltre che di Giazotto, di Maria José Martínez-Pérez e Antonio Fornieri.
Quello che hanno realizzato è praticamente un rettificatore, una valvola, che favorisce un flusso di corrente termica unidirezionale, cioè principalmente in un verso e non nell’altro: «nei nostri testi abbiamo registrato differenze di oltre 140 volte di una corrente rispetto all’altra; pensi che finora il meglio che si era ottenuto era dell’ordine dell’1,5%, perciò parliamo di un miglioramento dell’ordine del 14000%». Questo device in particolare non sfrutta le proprietà di fase dei superconduttori, perché c’è un singolo elemento superconduttivo; il passo successivo, dice il fisico pisano, sarà quello di realizzare diodi termici con due elementi superconduttivi «in modo che si possano far interferire con le fasi e quindi avere un controllo sulle proprietà di rettificazione grazie anche alle fasi quantistiche macroscopiche». Il materiale superconduttore utilizzato dai fisici del Cnr-Nano è Alluminio, che manifesta proprietà superconduttrici a bassa temperatura, dell’ordine di 1,4 kelvin, vicinissima allo zero assoluto e molto al di sotto della temperatura dell’elio liquido: «condizione di criogenia è necessaria per fare in modo che le correnti termiche dominanti siano solo quelle portatrici di carica e si possano limitare il più possibile le interazioni col reticolo cristallino che per noi è solo un canale di perdita». Ora le ricerche continueranno ancor più spedite. Anche perché sono supportate da un Grant dell’ERC (European Research Council) assegnatogli due anni fa, nella forma Consolidator e della durata di cinque anni, per il progetto COMANCHE (COherent MANipulation and Control of HEat in solid-state nanostructures).
Il progetto è infatti finalizzato a consolidare le basi di questa nuova disciplina della caloritronica coerente, cioè a investigare tutti gli effetti di calore su nanoscala in sistemi a stato solido controllati dalle fasi grazie all’ordine superconduttivo e alla coerenza che i superconduttori possono avere a basse temperature su scale molto piccole. Il progetto comprende tre linee di ricerca che Giazotto sintetizza così: «La prima riguarda la manipolazione delle correnti di calore con elementi a effetto Josephson, quindi con superconduttori accoppiati.
La seconda ha l’obiettivo di ottenere la manipolazione sempre con superconduttori ma grazie a un altro effetto detto ‘di prossimità’, cioè la capacità di indurre correlazioni superconduttive in un materiali che normalmente non sarebbero superconduttori.
La terza pista che stiamo seguendo è piuttosto esotica e punta a ottenere lo scambio a distanza di calore tramite fotoni su corpi che non siano in contatto galvanico, sempre a bassissime temperature e sempre grazie agli effetti quantistici; per capirci, potremmo parlare di un trasferimento di calore di tipo wireless, che avviene grazie all’interazione con i fotoni». In ciascuno di queste linee di ricerca, che stanno sviluppando in parallelo, l’intento dei ricercatori del Cnr-Nano è di dimostrare gli effetti fisici peculiari, quali l’interferenza, la diffrazione, la rettificazione termica, la capacità di separare (splittare) i flussi di calore. «In sintesi, la capacità di manipolare su nanoscala i flussi di calore, contribuendo alla sviluppo di quella che inizia ad essere identificata come la quantum technology, che dovrebbe metterci in grado di avere il controllo completo dell’energia, della carica e dello spin; il che ci permetterebbe di ottenere delle funzionalità enormemente migliorate rispetto a quello che oggi si ha solo con la carica e un po’ con lo spin».
