Nowe podejście do molekularnych urządzeń kwantowych
Chiralność(odnośnik otworzy się w nowym oknie) to zjawisko występujące w przyrodzie, które polega na tym, że obiektów, takich jak cząsteczki, nie da się nałożyć na ich lustrzane odbicie, podobnie jak lewej i prawej dłoni. W fizyce jest to widoczne jako spin cząstek, który może być zgodny lub przeciwny do ruchu wskazówek zegara. To zjawisko o ekscytujących implikacjach dla przełomowych innowacji. „Wykorzystanie sposobu, w jaki cząsteczki biologiczne stosują chiralność do rozpoznawania i wzajemnych interakcji, może pomóc kontrolować przepływ informacji, zwiększając moc przetwarzania w zastosowaniach kwantowych” — wyjaśnia Roberta Sessoli(odnośnik otworzy się w nowym oknie) z Uniwersytetu we Florencji. Po zastosowaniu polaryzacji elektrycznej, chiralność można wykorzystać poprzez zjawisko zwane selektywnością spinową indukowaną chiralnością(odnośnik otworzy się w nowym oknie) (CISS) — polega ono na tym, że elektrony podróżujące przez chiralne medium docierają do miejsca docelowego, mając dominujący kierunek spinu. „Chociaż kontrolowanie wartości spinów jest dość łatwe, wymaga bardzo silnych pól magnetycznych lub niskich temperatur, co ogranicza możliwości jego zastosowania” — wyjaśnia Sessoli, główna badaczka projektu CASTLE, finansowanego przez Europejską Radę ds. Badań Naukowych(odnośnik otworzy się w nowym oknie).
Ciężka praca pozostawiona naturze
Aby sprostać temu wyzwaniu, projekt połączył zespoły po obu stronach Atlantyku w celu znalezienia rozwiązań, w których to natura wykonywałaby ciężką pracę. Zespół projektu CASTLE musiał jednak najpierw potwierdzić, że interesujący go efekt CISS wynika z właściwości chiralnych cząsteczek, przez które przepływają elektrony. Finansowany ze środków UE projekt umożliwił amerykańskim zespołom wykorzystanie europejskiej wiedzy i doświadczenia, i vice versa. Układ został stworzony przez Northwestern University, amerykańskiego członka zespołu projektowego. Obejmował on składnik molekularny, który chętnie przyjmuje elektrony (akceptor), i drugi, który woli je uwalniać (donor). Przyłączono je do przeciwległych końców cząsteczki molekularnej. Światło padające na cząsteczkę szybko przenosi elektron z donora przez chiralną cząsteczkę do akceptora, co daje kontrolowaną wartość spinu elektronu. „Nie było jasne, czy efekt CISS był spowodowany metalowymi elektrodami w urządzeniach, czy też wewnętrzną właściwością cząsteczki” — zauważa Michael Wasielewski(odnośnik otworzy się w nowym oknie), który kieruje amerykańskim zespołem z Northwestern University(odnośnik otworzy się w nowym oknie). „Wykazaliśmy niezbicie, że jest to rzeczywiście właściwość molekularna”.
Wytwarzanie obwodów kwantowych
Wykorzystanie światła do przemieszczania elektronów przez materiały chiralne zapewnia możliwość wytwarzania obwodów kwantowych poprzez stworzenie sieci chiralnych komponentów molekularnych. Ponieważ nadal nie jest jasne, w jaki sposób wielkość efektu CISS wpływa na stopień rotacji spinu elektronu na danej odległości, trwają prace nad oprzyrządowaniem do ilościowego określania tego efektu, przy czym wczesne modelowanie wykazało już zdolność przewidywania. Wielonarodowy charakter oparty na szeroko zakrojonej współpracy projektu CASTLE był kluczem do tych wczesnych sukcesów. Jak zauważa Sessoli: „Nikt z nas nie mógłby zrobić tego sam”. Przykładowo członkowie zespołu z USA wnieśli krytyczną wiedzę na temat fotoindukowanego transferu elektronów i technik pomiaru rezonansu magnetycznego. „Ukazanie początkującym badaczom względnych zalet różnych podejść, zwłaszcza amerykańskiego nacisku na analizę kosztów i korzyści, uzupełniło eksperymentalne europejskie podejście bardziej oparte na współpracy” — dodaje Sessoli. Jednocześnie amerykańscy naukowcy dostali szansę uczestnictwa w międzynarodowych wysiłkach, które przyczyniły się do postępów w fundamentalnej wiedzy.
Nowe możliwości urządzeń kwantowych
Chociaż projekt CASTLE nie stworzy konkretnych urządzeń, a raczej przygotuje wskazówki dotyczące projektów, wyraźnie już widać potencjalne zastosowania. Wasielewski wymienia czujniki kwantowe, które wraz z małymi procesorami kwantowymi połączonymi w sieć z materiałami nanoskalowymi, pozwolą zbudować nanoskalowe urządzenia. Jak dodaje: „Społeczność fizyków jest podekscytowana tymi możliwościami”. Inne badane obszary(odnośnik otworzy się w nowym oknie) obejmują wykorzystanie efektu CISS w krótkich dupleksach DNA do kontrolowania spinu w chipach komputerowych, przy jednoczesnym opracowaniu „paradygmatu konwersji spinu na ładunek”, co daje możliwość „filtrowania spinów”, inaczej mówiąc zatrzymywania elektronów bez odpowiedniego spinu, co zwiększa możliwości kontroli. „Wszechobecny charakter tego zjawiska sprawia, że można je w dużym stopniu przenieść na inne dziedziny, takie jak zbieranie światła. Ponieważ spin jest wszechobecny, a chiralność uległa selekcji przez naturę w ciągu milionów lat, istnieje wiele możliwości, które jeszcze trzeba zidentyfikować. Łącząc obie te właściwości; możemy napisać niektóre podręcznikowe dogmaty od nowa” — podsumowuje Sessoli.