La pila clásica, la pila de Volta, forma parte de nuestra vida cotidiana y se conoce bien. Convierte la energía química en un voltaje, que luego puede alimentar circuitos electrónicos en multitud de aparatos.

Sin embargo, en muchas tecnologías cuánticas, los circuitos o dispositivos se basan en materiales superconductores, donde las corrientes pueden fluir sin necesidad de un voltaje aplicado. Por tanto, en este tipo de sistema no se necesita una pila clásica.

Esta pila es capaz de inducir supercorrientes en un circuito cuántico, con un nanocable de arseniuro de indio en su núcleo y cables superconductores de aluminio que actúan de polos

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.

Ahora un equipo de científicos del País Vasco e Italia presenta en la revista Nature Nanotechnology los resultados de una colaboración teórica y experimental que ha llevado a la fabricación de la primera pila de este tipo. Según los autores, constituye un elemento clave para las tecnologías cuánticas basadas en la coherencia de fase.

La idea fue concebida por primera vez en 2015, por Sebastian Bergeret del grupo de física mesoscópica del Centro de Física de Materiales (CFM, centro mixto del CSIC y la  Universidad del País Vasco UPV/EHU) e Ilya Tokatly, profesor Ikerbasque del grupo de Nanoespectroscopia de la UPV/EHU, ambos asociados del Donostia International Physics Center (DIPC).

Acoplamiento espín-órbita

Juntos propusieron un sistema teórico con las propiedades necesarias para construir la pila de fase, que combina materiales superconductores y magnéticos con un efecto relativista intrínseco, llamado acoplamiento espín-órbita.

Unos años más tarde, los investigadores Francesco Giazotto y Elia Strambini del Instituto NEST-CNR de Pisa, en colaboración con otros de la también italiana Universidad de Salerno, identificaron una combinación de materiales adecuada y fabricaron la primera pila de fase cuántica.

Se trata de un nuevo avance en la tecnología cuántica que se espera revolucione tanto las técnicas de computación y detección, como la medicina y las telecomunicaciones en un futuro próximo

Consiste en un nanocable de arseniuro de indio que forma el núcleo de la batería y cables superconductores de aluminio que actúan de polos. La pila se carga mediante la aplicación de un campo magnético externo, que luego puede ser apagado.

Los científicos 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:

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, 2020. DOI: 10.1038/s41565-020-0712-7