La fisica regala alla robotica i nanosensori quantistici

In un mondo sempre più interconnesso, dove la raccolta e il trasferimento di dati diventa un fattore cruciale per sfruttare tutte le enormi potenzialità dei nuovi sistemi di comunicazione, il ruolo dei sensori diventa determinante e strategico. Incrociando poi questo trend con la diffusione delle nanotecnologie, ecco che acquistano interesse i nanosensori e tutte le innovazioni che li riguardano; fino a quelle, a prima vista esotiche e lontane dagli interessi industriali, relative ai nanosensori quantistici che recentemente sono stati oggetto di importanti scoperte e significativi risultati da parte di un gruppo di scienziati del CNR.

I nanosensori sono quei sensori in grado di trasportare informazioni dal mondo nanometrico al mondo macroscopico; tra queste informazioni ci sono quelle connesse alle proprietà magnetiche delle nanoparticelle: dalle molecole, agli atomi freddi, ai singoli elettroni. Sono tutti ambiti dominati dalle leggi della fisica quantistica, con le sue difficoltà, alcune ancora irrisolte, e con le sue stranezze, come il celebre effetto tunnel, che prevede che una particella possa attraversare una barriera energetica pur non avendo l’energia necessaria: come se una palla potesse passare attraverso un muro senza scavalcarlo.

Quello che i ricercatori dell’Istituto di Scienze Applicate e Sistemi Intelligenti (Isasi-CNR) hanno realizzato sono dei nanosensori quantistici ultrasensibili in grado di rilevare il momento magnetico di pochi singoli atomi. Si tratta di nano dispositivi superconduttori a interferenza quantistica, meglio conosciuti come nano-SQUIDs (acronimo di nano Superconducting QUuantum Interference Devices), in grado di misurare flussi magnetici un milione di volte più piccoli di quello prodotto dal campo magnetico terrestre, consentendo la misura del magnetismo della materia a livello dei singoli atomi o di piccole aggregazioni di essi.

“I nanoSQUIDs” spiegano i ricercatori del CNR “sono tipicamente costituiti da un anello superconduttore submicrometrico dotato di due costrizioni nanometriche. Quelli realizzati presso Isasi-Cnr presentano una struttura più complessa, basata su nano-giunzioni tunnel tridimensionali su un sandwich nanometrico di due superconduttori separati da uno sottilissimo strato di materiale isolante (1 nm), che si traduce in una maggiore sensibilità e affidabilità del dispositivo. In questo modo è stato possibile ottenere nanosensori capaci di misurare localmente campi magnetici così piccoli da apprezzare addirittura quello prodotto dai singoli elettroni”.

I nanoSQUIDs si candidano a essere un potente strumento d’indagine scientifica sui nano-oggetti magnetici, con particolari applicazioni in biomedicina, dove potranno diventare un prezioso strumento capace di misurare il campo magnetico associato all’attività elettrica del singolo neurone. Ma sono di grande interesse anche per alcune tematiche chiave della scienza dei materiali e della fisica dello stato solido e per altre stimolanti applicazioni che possono arrivare fino al livello industriale, quali la computazione quantistica, la rivelazione di singolo fotone e la nanoelettronica.

In figura: Nanosensore a effetto tunnel (fonte Isasi-CNR)

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