L’utilizzo del niobio in diverse applicazioni
Il niobio è un metallo di transizione scoperto nel 1801 da Charles Hatchett. Grazie alle sue caratteristiche uniche, il niobio trova diverse applicazioni in settori come quello siderurgico come elemento di lega per gli acciai inossidabili, nell’industria elettronica, elettrica e nucleare. Nel corso degli anni, l’interesse per questo materiale è cresciuto notevolmente nella comunità scientifica.
Il niobio come superconduttore
Il niobio diventa particolarmente interessante quando combinato con altri elementi per formare composti ionici, diventando un superconduttore a basse temperature. Ad esempio, il nitruro di niobio (NbN), composto ionico con reticolo cristallino cubico semplice, diventa un superconduttore a 16 K. Per applicazioni più avanzate, può essere portato a 4.2 K tramite l’immersione in elio liquido.
La superconduttività e le sue applicazioni
La superconduttività è un fenomeno fisico che si verifica in alcuni materiali al di sotto di una temperatura critica, con resistenza elettrica nulla ed espulsione delle linee di campo magnetico. Questo fenomeno richiede una spiegazione basata sulla meccanica quantistica anziché sulla fisica classica.
Computer quantistici e comunicazioni
Negli ultimi tempi, si sente parlare sempre più spesso di computer quantistici e di computing quantistico, che operano basandosi sulla crittografia quantistica. La crittografia quantistica sfrutta le leggi della meccanica quantistica per garantire la sicurezza nella trasmissione di informazioni e dati tramite lo scambio di chiavi crittografiche.
Rivelatori superconduttori e fotoni singoli
Per identificare gli stati di polarizzazione di singoli fotoni o determinarne l’energia, sono necessari rivelatori di singolo fotone basati su materiali superconduttori. Questi rivelatori offrono una sensibilità superiore rispetto ai comuni fotorivelatori, garantendo prestazioni ottimali in contesti dove è richiesta precisione e accuratezza.I rivelatori di singolo fotone basati su singolo fotone (Superconducting Single Photon Detector, SSPD) utilizzano materiali come il nitruro di niobio (NbN). Rispetto ai circuiti tradizionali realizzati con conduttori metallici comuni (come rame, argento, oro), in cui la resistenza diminuisce con la temperatura, nei circuiti superconduttori chiusi la corrente elettrica può fluire indefinitamente quando si raggiunge una temperatura critica specifica.
Gli SSPD sono costituiti da nano-fili superconduttori con una larghezza di circa 100 nm e uno spessore tra i 4 e i 5 nm. Per migliorare l’accoppiamento del dispositivo con la radiazione, il nano-filo è disposto in una particolare geometria a meandro. Questi dispositivi operano a temperature inferiori alla temperatura critica e vengono polarizzati con una corrente leggermente inferiore alla corrente critica caratteristica del materiale.
Funzionamento di un rilevatore di singolo fotone
Il processo di rilevamento di un fotone e la formazione dell’hot spot in un SSPD possono essere descritti in dettaglio. Quando un fotone viene assorbito dal dispositivo, si genera un’area resistiva denominata hot spot. La supercorrente viene costretta a circolare intorno all’hot spot, ma poiché la stripe di NbN è molto sottile, la densità di corrente locale aumenta considerevolmente, superando la supercorrente critica. Ciò porta alla formazione di una zona resistiva lungo la stripe, che funge da barriera.
Questo processo genera calore Joule e incrementa la regione resistiva lungo la stripe fino a bloccare completamente il flusso di supercorrente. L’assorbimento di un singolo fotone da parte dell’SSPD avvia un complesso processo che porta alla creazione dell’hot spot e alla sua successiva bloccatura attraverso la formazione di una zona resistiva lungo il percorso della corrente.
Applicazioni del NbN al di là della crittografia quantistica
Il NbN è un materiale estremamente sensibile che permette la rivelazione di singoli fotoni, rendendolo un componente prezioso non solo per la crittografia quantistica, ma anche per altre applicazioni di comunicazioni quantistiche, fotonica, riflettometria ottica e laser. Inoltre, trova impiego anche in ambito astrofisico, dove i rivelatori a singolo fotone possono migliorare significativamente le prestazioni dei telescopi spaziali, fornendo dettagliate informazioni sull’energia dei fotoni provenienti da fonti deboli. Un esempio tangibile di utilizzo del niobio e del NbN è il progetto Gravity Probe B della NASA, che ha confermato in modo preciso gli effetti predetti dalla teoria della relatività generale di Einstein.
La corrente deviata su un circuito esterno, generata quando un fotone eccita il NbN, è fondamentale per rilevare l’impulso di tensione derivante dall’assorbimento del singolo fotone. La presenza di una resistenza di carico nel circuito esterno permette alla regione resistiva di attenuarsi, riportando il filo di NbN allo stato di superconduttore. Questo processo consente alla corrente di polarizzazione di tornare al suo valore iniziale.
Conclusioni
Il NbN si rivela essere un materiale versatile e fondamentale per molteplici applicazioni al di là della crittografia quantistica. Grazie alla sua sensibilità e alle sue proprietà uniche, il NbN trova impiego in settori diversi come le comunicazioni quantistiche, la fotonica, la riflettometria ottica e laser, e persino in ambito astrofisico. Il suo utilizzo nel progetto Gravity Probe B della NASA ne conferma l’importanza e l’efficacia nell’indagine scientifica di fenomeni complessi come quelli legati alla relatività generale di Einstein.
