Una nuova chiave di lettura per i dispositivi quantistici molecolari
La chiralità(si apre in una nuova finestra) è un principio della natura secondo il quale gli oggetti, ad esempio le molecole, non possono essere sovrapposti alla loro immagine speculare, come avviene ad esempio per la mano sinistra e la mano destra. In fisica, questa proprietà è evidente nello spin delle particelle, che può essere orario o antiorario: si tratta di un fenomeno con implicazioni interessanti, in grado di dare a vita a innovazioni rivoluzionarie. «Sfruttare le modalità attraverso cui le molecole biologiche utilizzano la chiralità per riconoscersi e interagire tra di loro potrebbe migliorare il controllo del flusso di informazioni, aumentando la potenza di elaborazione delle applicazioni quantistiche», spiega Roberta Sessoli(si apre in una nuova finestra), ricercatrice presso l’Università di Firenze. Quando si applica un bias elettrico, la chiralità può essere sfruttata attraverso un fenomeno chiamato selettività di spin indotta dalla chiralità(si apre in una nuova finestra) (CISS, chirality-induced spin selectivity), grazie al quale gli elettroni che viaggiano attraverso un mezzo chirale raggiungono la loro destinazione con una direzione di spin dominante. «Sebbene controllare la direzionalità degli spin sia abbastanza facile, a tal fine sono necessari campi magnetici molto elevati e/o basse temperature, il che ne limita l’impiego» spiega Sessoli, che ha rivestito il ruolo di ricercatrice principale del progetto CASTLE, finanziato dal Consiglio europeo della ricerca(si apre in una nuova finestra).
Lasciare il lavoro pesante alla natura
Per affrontare questa sfida, il progetto ha riunito team provenienti da entrambe le sponde dell’Atlantico con l’intento di trovare soluzioni in cui sia la natura a compiere il lavoro pesante. Tuttavia, l’équipe di CASTLE ha dovuto innanzitutto confermare che l’effetto della CISS di interesse deriva dalle proprietà delle molecole chirali, attraverso le quali si verifica il flusso di elettroni. Il progetto finanziato dall’UE ha permesso ai team statunitensi ed europei di attingere vicendevolmente alle proprie conoscenze e competenze . Un sistema creato dalla Northwestern University, ateneo membro del team di progetto con sede negli Stati Uniti, è dotato di un componente molecolare che accetta prontamente gli elettroni (l’accettore) e di un altro che preferisce rilasciarli (il donatore); i due elementi sono stati collegati alle estremità opposte di una molecola chirale. Illuminando la molecola è possibile spostare rapidamente l’elettrone attraverso la molecola chirale dal donatore all’accettore, determinando una rotazione controllata dello spin dell’elettrone. «Non si sapeva se l’effetto generato dalla CISS fosse dovuto agli elettrodi metallici dei dispositivi o a una proprietà intrinseca della molecola», osserva Michael Wasielewski(si apre in una nuova finestra), docente alla guida del team statunitense presso la Northwestern University(si apre in una nuova finestra). «Abbiamo dimostrato in modo definitivo che si tratta effettivamente di una proprietà molecolare.»
Realizzare circuiti quantistici
L’impiego della luce per muovere gli elettroni attraverso i materiali chirali offre la possibilità di fabbricare circuiti quantistici mediante l’assemblaggio di una rete di componenti molecolari chirali. Poiché non è ancora chiaro come l’entità dell’effetto esercitato dalla CISS influisca sul grado di rotazione dello spin dell’elettrone su una determinata distanza, è in fase di sviluppo una strumentazione volta a quantificare l’effetto, mentre i primi modelli si sono già dimostrati in grado di effettuare previsioni. La natura multinazionale e altamente collaborativa di CASTLE ha rappresentato l’elemento fondamentale di questi successi iniziali. «Nessuno di noi sarebbe in grado di raggiungere questi risultati autonomamente», osserva Sessoli. I membri della squadra statunitense, ad esempio, hanno apportato conoscenze di importanza critica sul trasferimento di elettroni fotoindotto e sulle tecniche di misurazione della risonanza magnetica. «L’esposizione dei ricercatori nella fase iniziale della propria carriera ai punti di forza relativi dei diversi approcci, in particolare l’enfasi degli Stati Uniti sull’analisi dei costi-benefici, ha completato l’approccio europeo, caratterizzato da una natura più collaborativa e sperimentale», aggiunge Sessoli. Al tempo stesso, i ricercatori statunitensi hanno potuto partecipare a uno sforzo multinazionale che ha permesso di far progredire le conoscenze fondamentali.
Nuove avventure nei dispositivi quantistici
Anche se CASTLE non genererà dispositivi specifici, bensì, piuttosto, una guida alla loro progettazione, esiste un chiaro potenziale a livello di applicazioni: tra di esse, Wasielewski cita il rilevamento quantistico, congiuntamente a piccoli processori quantistici collegati in rete con materiali su scala nanometrica per dispositivi su nanoscala, aggiungendo: «La comunità della fisica è entusiasta di ciò.» Tra le altre aree in fase di studio(si apre in una nuova finestra) figurano l’utilizzo dell’effetto della CISS in doppi filamenti di DNA corti per controllare lo spin nei chip dei computer, nonché lo sviluppo di un «paradigma di conversione dello spin in carica» che prevede la possibilità di «filtrare lo spin», ovvero di fermare gli elettroni privi dello spin desiderato per ottenere un maggiore controllo. «La natura onnipresente di questo fenomeno lo rende altamente trasferibile ad altri campi, come la raccolta della luce. Dato che lo spin è ovunque e la chiralità è stata selezionata dalla natura nel corso di milioni di anni, sono molte le possibilità ancora da identificare combinando entrambe le proprietà: di conseguenza, potremmo riscrivere alcuni dogmi dei libri di testo», conclude Sessoli.