I diamanti si sono dati alla fisica quantistica

Da diverso tempo De Beers, la famosa società che estrae e vende diamanti, è in difficoltà. La concorrenza dei diamanti sintetici, prodotti soprattutto in Cina, ha ridotto fortemente la domanda di quelli “naturali” e c’è in generale un minore interesse verso i gioielli che li contengono. Per provare a differenziare la propria offerta, De Beers ha quindi scelto di orientarsi verso un altro ambito del mercato: quello per i sensori ad altissima precisione che sfruttano i principi della fisica quantistica.

Attraverso la propria controllata Element Six, che ha sede nel Regno Unito, De Beers sviluppa e produce diamanti sintetici “perfettamente imperfetti” per alimentare un promettente settore tecnologico, che un giorno potrebbe rivoluzionare moltissime applicazioni, dalla medicina ai sistemi di navigazione. Per produrre questi sensori sono infatti necessari diamanti con una microscopica imperfezione al loro interno. I sistemi sperimentali utilizzati finora hanno dato risultati importanti, e potrebbero offrire a De Beers e agli altri produttori di diamanti un’opportunità per mantenersi rilevanti sul mercato.

In generale, un sensore quantistico è un dispositivo che sfrutta fenomeni particolari della fisica quantistica (come proprietà speciali degli elettroni) per misurare con grande precisione grandezze molto piccole o deboli, che con i metodi tradizionali sarebbero difficili o impossibili da rilevare a causa dei limiti di sensibilità degli strumenti.

Esistono sensori quantistici di vario tipo e quelli finora più diffusi devono essere raffreddati quasi allo zero assoluto (cioè avvicinandosi molto a 0 K, equivalente a -273,15 °C) e devono essere usati in ambienti estremamente isolati, altrimenti subiscono le interferenze. Sono quindi molto costosi e soprattutto difficili da trasformare in sistemi da usare nella vita di tutti i giorni, come si potrebbe invece fare con i sensori ottenuti dai diamanti, che funzionano a temperatura ambiente e che subiscono meno le interferenze. Sono lievemente meno sensibili, ma secondo gli esperti hanno grandi potenzialità in numerose applicazioni.

Al momento i sensori basati sui diamanti sono utilizzati soprattutto nei laboratori, ma diversi gruppi di ricerca sono al lavoro per capire come miniaturizzare e integrare questa tecnologia in prodotti portatili e di consumo. Il loro impiego in laboratorio è orientato allo studio dei neuroni e in generale delle cellule, alla verifica del funzionamento dei microchip e naturalmente per lo studio della fisica quantistica, proprio perché possono misurare nel piccolissimo.

I più ottimisti ritengono che entro qualche anno o decennio questa nuova tecnologia possa diventare comune nei dispositivi medici portatili, in vari sensori ambientali e perfino per avere sistemi di navigazione alternativi a quelli satellitari, basati sulla rilevazione delle variazioni dei campi magnetici, a partire da quello terrestre.

Come funziona
Per comprendere il funzionamento di questi sensori occorre un breve viaggio nella struttura atomica dei diamanti. Un diamante è un cristallo composto da atomi di carbonio, che sono disposti in un reticolo tridimensionale rigido e ordinato. È proprio questa struttura a rendere il diamante uno dei materiali più duri che si conoscono, ma il reticolo non è sempre perfetto.

A volte nella formazione del cristallo, un atomo di carbonio viene sostituito da un intruso, come un atomo di azoto, silicio o boro. Su scala atomica queste anomalie sono definite “centri di colore”, perché sono responsabili delle tonalità che possono assumere i diamanti. Se c’è molto azoto, per esempio, la gemma ha un colore giallo paglierino e questo può incidere sul valore che le è attribuito (in genere più un diamante è puro più alto è il suo valore).

Ci sono diversi tipi di centri di colore, ma quello che interessa per le applicazioni quantistiche è il cosiddetto “centro azoto-lacuna” o NV, dal simbolo dell’azoto N e dalla prima lettera della parola inglese “vacancy”, cioè “posto vacante, lacuna”. Il centro NV è un difetto specifico all’interno del reticolo del diamante ed è inferiore al nanometro, cioè un milionesimo di millimetro. Come suggerisce appunto il nome, è formato da un atomo di azoto che ha preso il posto di uno di carbonio e da un’area adiacente che è rimasta vuota, cioè priva di un atomo di carbonio nel reticolo che forma il diamante.

NV si comporta come una sorta di atomo a sé che e può esistere in diversi stati di carica: positivo, negativo o neutro. La versione che interessa ai fisici quantistici è quella negativa NV^–, che si verifica quando il centro azoto-lacuna cattura un elettrone in più rispetto a quelli che ha già a disposizione (l’elettrone è una particella subatomica con carica negativa).

I diamanti con NV^– vengono prodotti nei laboratori, come quelli di Element Six, introducendo nel reticolo del diamante che viene sintetizzato degli atomi di azoto e facendo in modo che si dispongano poi nel modo desiderato. È un processo che richiede grandissima precisione e strumenti calibrati per lavorare su scale atomiche, e questo spiega perché per ora è realizzato da poche aziende in giro per il mondo. Devono creare un difetto con estrema accuratezza.

Una volta ottenuto il diamante con NV^–, si passa al suo impiego sfruttando una caratteristica fondamentale dell’elettrone: il suo “spin”. Non è semplice farsi un’idea di che cosa sia lo spin, perché non c’è nulla di adatto nella nostra esperienza osservabile di tutti i giorni per fare un paragone esattamente calzante. Lo spin è una condizione intrinseca di una particella come l’elettrone, cioè una sua caratteristica come lo sono la massa e la sua carica elettrica, che come abbiamo visto è negativa. Lo spin c’è sempre e non può essere rimosso dall’elettrone né può essere in qualche modo disattivato.

Il nome, che deriva dalle prime scoperte su questa caratteristica, è fuorviante perché “spin” in inglese significa letteralmente “ruotare”, ma l’elettrone non ruota su se stesso come una trottola. Si può pensare a un elettrone come a un minuscolo magnete con un polo nord e uno sud, che reagisce quindi ai campi magnetici esterni, un po’ come fa l’ago di una bussola quando le avviciniamo un magnete e si riorienta in base a quel campo magnetico, che sovrasta quello terrestre verso cui si orienta naturalmente l’ago.

Lo spin dell’elettrone è “quantizzato”, significa che può stare solamente in stati energetici ben definiti e in nessuna posizione intermedia (convenzionalmente gli stati vengono definiti Up e Down). Anche se taglia fuori diversi dettagli, e in fisica i dettagli sono tutto, possiamo considerare lo spin come una sorta di bussola interna degli elettroni, che può puntare solo verso Nord o verso Sud, senza possibilità di avere vie di mezzo. Risente dei campi magnetici che ha intorno, quindi se lo spin era stato misurato in un senso e dopo essere stato vicino a qualcosa il senso cambia, si può capire a che campo magnetico sia stato esposto. Questo cambiamento netto dà la possibilità di avere una misura molto precisa e questo ci riporta ai diamanti con centro NV^–.

Se viene inviato un impulso di luce laser verde sul centro NV^–, questo assorbe la luce e passa a uno stato energetico più alto, poi dopo un attimo torna allo stato originale, e nel farlo emette luce rossa. Questa emissione dipende dallo spin e può essere più o meno intensa, misurandola si può capire proprio che in stato è lo spin. In altre parole, con questo sistema si può leggere lo stato quantistico in modo semplice e diretto e fare del sistema un sensore.

Nella pratica, si invia un primo impulso di luce laser verde verso il diamante, in modo da sapere qual è lo spin del centro NV^– in base alla luce rossa che emette in risposta. Questo passaggio equivale ad azzerare uno strumento prima di usarlo, un po’ come si fa con una bilancia quando la si imposta per la tara. Il diamante viene poi avvicinato a ciò che si vuole studiare, per esempio il campo magnetico debolissimo di una cellula o un oggetto che subisce minuscole variazioni di temperatura. Il campo magnetico esterno di ciò che si vuole misurare cambia lo spin del NV^–, che come abbiamo visto si comporta come una minuscola bussola.

Per vedere come è cambiato, è sufficiente inviare un nuovo impulso laser (insieme a delle microonde per sollecitare lo spin) e misurare la quantità di luce rossa emessa in risposta. Dalla variazione tra la misurazione fatta in precedenza e quest’ultima, si può calcolare come è cambiato lo spin. Attraverso equazioni e calcoli, si può ottenere alla fine un numero preciso che indica per esempio l’intensità del campo magnetico della cellula, e ripetendo le misurazioni si può anche vedere come questo cambia con l’attività cellulare stessa.

I diamanti quantistici hanno grandi potenzialità e stanno attirando diversi investimenti, e per questo le società come De Beers sperano che possa diventare un ambito utile per differenziare gli affari e compensare il calo della domanda. Un sensore è per sempre.