Tecnologie quantistiche, più vicini al controllo degli spin

Un esperimento condotto nei laboratori Unifi, pubblicato sulla rivista scientifica Nature Materials, apre la strada all'uso dei campi elettrici per la realizzazione di porte logiche quantistiche basate sugli spin.

Una delle sfide della tecnologia quantistica è riuscire a controllare e far compiere operazioni logiche ai singoli elementi – i qbit, analoghi quantistici dei più familiari bit -, senza che il mondo macroscopico rovini la loro natura quantistica. Gli spin degli elettroni sono molto promettenti come qbit perché riescono a codificare le informazioni in un sistema binario quantistico, ma devono essere controllati per poter effettuare le operazioni logiche necessarie alla costruzione di un elaboratore.

Un esperimento condotto nei laboratori dell’Università di Firenze dal team coordinato da Maria Fittipaldi e Roberta Sessoli, pubblicato sulla rivista scientifica Nature Materials, apre la strada all’uso dei campi elettrici per la realizzazione di porte logiche quantistiche basate sugli spin.

“Per la sua natura intrinsecamente quantistica, lo spin, ovvero la proprietà delle particelle di orientarsi rispetto a campi magnetici, interagisce difficilmente con il mondo esterno – racconta Maria Fittipaldi, ricercatrice del Dipartimento di Fisica e Astronomia  -. Esso è sensibile ai campi magnetici e non a quelli elettrici, ma solo questi ultimi possono essere facilmente confinati nello spazio e quindi sono in grado di controllare un singolo spin”.

Il team – composto anche da Andrea Caneschi, del Dipartimento di Ingegneria Industriale, e da Alberto Cini del Dipartimento di Fisica e Astronomia dell’Università di Firenze, da Giuseppe Annino dell’Istituto per i Processi Chimico Fisici del CNR di Pisa e da Alessandro Vindigni del Politecnico Federale di Zurigo – ha verificato quanto era stato previsto in precedenza a livello teorico, dimostrando che è possibile modulare con l’applicazione del campo elettrico l’interazione di scambio fra centri magnetici in materiali molecolari e che questa interazione, contrariamente ad altri effetti magneto-elettrici non richiede la presenza di atomi pesanti caratterizzati da una elevata interazione spin-orbita. Un risultato importante nel campo delle tecnologie per l’informazione quantistica, perché il controllo delle interazioni fra gli spin è necessario per la realizzazione di porte logiche quantiche.

“La tecnica di indagine utilizzata in questo studio – spiega Roberta Sessoli, ordinario di Chimica generale ed inorganica del Dipartimento di Chimica Unifi – si basa su una estensione della risonanza paramagnetica elettronica – una spettroscopia di lunga tradizione nei laboratori dell’Università di Firenze – che ha consentito l’analisi del comportamento magnetico di un sistema sottoposto a un campo elettrico. In particolare, abbiamo sottoposto gli spin di ioni manganese all’applicazione di un campo elettrico e studiato l’effetto sulla mutua orientazione di spin adiacenti, cioè l’effetto magneto-elettrico. Una tecnica – conclude la ricercatrice – che permetterà di sviluppare lo studio degli effetti magneto-elettrici anche in altri materiali: una prospettiva che anche l’editoriale dell’ultimo numero di Nature Materials ha indicato come molto promettente per lo sviluppo di nuove tecnologie”.

Didascalia: Il materiale investigato è costituito da fili molecolari in cui si alternano gli spin di ioni manganese e di radicali organici in una struttura ad elica e perciò intrinsecamente chirale. Al variare della mutua orientazione degli spin adiacenti si generano dei dipoli elettrici, indicati dalle frecce in  figura. Attraverso l’applicazione di un campo elettrico, e grazie alla sua interazione con i dipoli elettrici spin-dipendenti, ha origine il fenomeno magneto-elettrico studiato in questo lavoro.


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