> FocusUnimore > numero 52 – novembre 2024
EMPEROR project: innovative materials for quantum technologies of the future
The extended partnership NQSTI (National Quantum Science and Technology Institute), funded by the Italian government and the European Union through the National Recovery and Resilience Plan (NRRP), set up to have a consortium of Italian bodies carrying out competitive and frontier research in the field of quantum sciences and technologies, recently called for tenders to fund research projects that would complement the activities already underway. One of these projects, co-ordinated by Prof. Marco Gibertini of the Unimore Department of Physics, Informatics and Mathematics, called EMPEROR, ‘EMergent toPological states in sEmiconductor-ferROmagnet van der Waals heteRostructures’, was the winner. EMPEROR focuses on a very special class of materials, called ‘topological’ materials, that can become excellent conductors with exceptional properties. These aspects make topological materials particularly promising for various applications, including of course quantum science and technology. What currently limits their use is that these materials are rather rare. The EMPEROR project aims to overcome these limitations by exploiting two key aspects:on the one hand, the predictive power of simulations, which combine the computing power of the most modern high-performance supercomputers with the laws of quantum mechanics to predict the behaviour of materials. On the other, the aim is to exploit the fact that topological properties can be emergent, i.e. that they can appear from the combination of materials that taken individually would be ‘trivial’.
Le scienze e tecnologie quantistiche puntano a sfruttare il comportamento peculiare dei sistemi descritti dalla meccanica quantistica per realizzare dispositivi (sensori, strumenti di comunicazione e computazione) con caratteristiche irrealizzabili in sistemi ‘classici’, costituendo quindi un potenziale punto di svolta nel paradigma tecnologico e industriale mondiale.
In questo contesto è nato il partenariato esteso NQSTI (National Quantum Science and Technology Institute), finanziato dal Governo italiano e dall’Unione europea tramite il Piano Nazionale di Ripresa e Resilienza (PNRR), per avere un consorzio di enti italiani che effettuano ricerca competitiva e di frontiera nel campo delle scienze e tecnologie quantistiche, stimolando al tempo stesso la collaborazione con le industrie attive nel settore.
Nel tentativo di allargare l’orizzonte dei temi di ricerca e delle applicazioni sviluppate dal consorzio, il partenariato ha recentemente indetto dei bandi a cascata per finanziare progetti di ricerca che risultassero complementari alle attività già in atto. Tra questi è risultato vincitore un progetto coordinato dal Prof. Marco Gibertini del Dipartimento di Scienze Fisiche Informatiche e Matematiche di Unimore, che vede coinvolti anche altri docenti e ricercatori del dipartimento. L’acronimo del progetto, EMPEROR, deriva dal titolo esteso “EMergent toPological states in sEmiconductor-ferROmagnet van der Waals heteRostructures” (Stati toPologici emergenti in strutture di sEmiconduttore-ferro-magnete di Van der Waals).
EMPEROR si concentra su una classe molto speciale di materiali, detti ‘topologici’, le cui proprietà sono robuste rispetto a possibili difetti, imperfezioni o anche perturbazioni esterne. Il loro carattere topologicamente non banale si manifesta nel fatto che, seppur al loro interno siano normali isolanti, al bordo possano diventare ottimi conduttori con proprietà eccezionali. Questi aspetti rendono i materiali topologici particolarmente promettenti per varie applicazioni, incluse naturalmente le scienze e tecnologie quantistiche.
Ciò che limita al momento il loro utilizzo è che questi materiali sono piuttosto rari. “Il progetto EMPEROR vuole ovviare a queste limitazioni sfruttando due aspetti chiave”, spiega il Prof. Gibertini. “Da un lato, il potere predittivo delle simulazioni, che mettono insieme la potenza di calcolo dei più moderni supercomputer ad alte prestazioni con le leggi della meccanica quantistica, per predire il comportamento dei materiali. Dall’altro si vuole sfruttare il fatto che le proprietà topologiche possano essere emergenti, cioè che possano apparire dalla combinazione di materiali che presi singolarmente sarebbero ‘banali’”.
Tale combinazione è particolarmente promettente nel caso dei cristalli bidimensionali che, come fogli di materia, si estendono principalmente in due dimensioni mentre sono spessi solo pochi atomi nella terza. Questo li rende particolarmente atti ad essere combinati insieme, disponendoli semplicemente uno su un altro, come appunto se fossero fogli, con il sorprendente risultato che le proprietà di queste ‘eterostrutture’ possono essere molto diverse da quelle dei materiali di partenza. Oltretutto, i materiali bidimensionali sono fortemente sensibili a stimoli esterni, inclusi campi magnetici e elettrici, che possono fornire ulteriori meccanismi di controllo delle proprietà emergenti delle eterostrutture.
“EMPEROR si prefigge quindi l’ambizioso obiettivo di studiare innumerevoli possibili combinazioni di materiali bidimensionali nel contesto controllato di un ‘laboratorio computazionale’, alla ricerca di proprietà topologiche emergenti e di possibili strategie per controllarle attraverso campi magnetici ed elettrici” prosegue il Prof. Gibertini.
L’utilizzo delle simulazioni permetterà di esplorare una vasta gamma di combinazioni e applicazioni, molto più velocemente che in un laboratorio tradizionale, accelerando quindi la scoperta di materiali particolarmente promettenti che possano poi essere oggetto di ulteriori indagini sperimentali e potenzialmente diventare elementi essenziali per le tecnologie quantistiche del futuro.
