Lo European Research Council (ERC) ha assegnato un finanziamento totale di quasi 9 milioni di euro alla rete internazionale di ricercatori del Progetto CASTLE che vede come Principal Investigator italiani Roberta Sessoli del Dipartimento di Chimica e Stefano Carretta dell’Università di Parma. Assieme a loro, i colleghi Michael R. Wasielewski, della Northwestern University di Illinois (Usa), e Robert Bittl, della Freie Universitaet di Berlino. In questo articolo Roberta Sessoli spiega obiettivi e sfide del progetto.
Il progetto CASTLE si ispira alla natura per esplorare nuovi orizzonti nel campo delle tecnologie quantistiche, ovvero quelle tecnologie che permetteranno la realizzazione di computer più potenti, comunicazioni più sicure e sensori ancora più sensibili.
Sebbene alcune tecnologie quantistiche siano già disponibili, come i computer quantistici di IBM, Google e altri, e accessibili in rete ai ricercatori, molto resta -da fare per superare i limiti degli approcci attuali.
Una possibile alternativa è sfruttare lo spin. Lo spin è un componente fondamentale della materia e ha una natura intrinsecamente quantistica. Lo spin che vorremmo sfruttare è quello dell’elettrone in molecole che posseggono elettroni non appaiati e quindi hanno spin diverso da zero.
Lo spin offre molti vantaggi ma ha anche molte imitazioni. In particolare, lo spin interagisce debolmente con ciò che lo circonda e con i campi magnetici, richiedendo basse temperature e strumenti sofisticati per controllarlo.
Una possibile soluzione ce la propone la natura. La vita sulla terra si è sviluppata organizzando gli atomi in strutture chirali, ovvero che presentano la proprietà di non essere sovrapponibili alla loro immagine speculare, come avviene per le mani da cui questa proprietà trae il nome. Non è ancora chiaro perché in natura sia stata selezionata questa strategia ma da una ventina di anni si stanno accumulando evidenze che quando un elettrone si muove attraverso un mezzo chirale il suo moto sia favorito per un certo spin e sfavorito per lo spin opposto. Questo fenomeno avviene anche a temperature elevate ed è molto importante per il settore dell’elettronica noto come spintronica.
Nel nostro progetto vogliamo invece sfruttare questo fenomeno per convertire l’informazione contenuta nello spin delle molecole, che sono i nostri bit quantistici o qubit, in una informazione veicolata dalla carica elettrica, molto più facile da manipolare sia per la scrittura che per la lettura dell’informazione.
Il progetto è estremamente ambizioso ma ad elevato rischio perché esplora concetti completamente nuovi. Si tratta di scienza fondamentale ma con grandi potenzialità di ampliare le nostre capacità di controllare una grandezza – lo spin – che è alla base di moltissime proprietà, come l’efficienza delle celle fotovoltaiche, il rendimento delle luci LED, o l’efficacia e selettività di un catalizzatore, per fare alcuni esempi.
Per raggiungere l’obiettivo che ci siamo prefissati abbiamo unito le nostre competenze chimiche a quelle del gruppo del Prof. Wasielewski della Northwestern University in Illinois, esperto in trasferimento elettronico fotoindotto. Gli aspetti teorici, fondamentali in un progetto così innovativo, saranno studiati sotto la guida del Prof. Carretta dell’Università di Parma, mentre la nuova strumentazione sarà principalmente sviluppata dal Prof. Robert Bittl della Freie Università di Berlino. Ci coadiuverà anche il Prof. Ron Naaman del Weizmann Institute israeliano, primo scienziato ad osservare il fenomeno della selettività di spin legata alla chiralità.
Questo grande progetto è il frutto di un più piccolo progetto tutto Italiano (PRIN) che coinvolge anche le Università di Bologna, Torino, Modena &RE, e Pisa. Questo progetto seme ci ha permesso di ottenere le prime indicazioni sulla possibilità di sfruttare la chiralità per controllare qubit basati sullo spin.
L’Università di Firenze e i suoi affiliati, oltre a progettare e realizzare le molecole si occuperanno anche del difficile passaggio allo studio di singole molecole sfruttando il laboratorio di scienza delle superficie e nanostrutture (CETECS) realizzato con un precedente finanziamento dell’European Resaerch Council e oggetto di continui investimenti per migliorarne le prestazione e ampliare il campo di fenomeni e materiali investigabili.
