Pubblicato su Nature Nanotechnology perspective article su Quantum-coherent nanoscience

È stato pubblicato su Nature Nanotechnology un perspective article dal titolo Quantum-coherent nanoscience, che presenta gli approcci ritenuti ad oggi più promettenti nella rivoluzione quantistica in atto. L’articolo è il frutto di una interazione fra un gruppo internazionale di ricercatori leader in vari settori delle nanoscienze - tra cui figura Roberta Sessoli, afferente del Consorzio INSTM nell’UdR di Firenze – con in comune l’interesse per i fenomeni fondamentali del mondo quantistico, quali la sovrapposizione coerente degli stati, l’interferenza e l’entaglement.

Questi fenomeni sono alla base delle tecnologie quantistiche, come la comunicazione, la computazione, la simulazione e la sensoristica quantistiche, oggetto di un crescente interesse anche da parte della politica della ricerca e innovazione. Le quattro tecnologie sopracitate sono infatti i pilastri su cui è costruita la Quantum Flagship della Comunità Europea, allineata a iniziative simili nei paesi più sviluppati, come il Piano Nazionale di Ripresa e Resilienza (PNRR) in Italia, dove il mondo quantistico è uno dei settori di sviluppo supportati. Alla luce di queste considerazioni, è quindi particolarmente significativa la presenza di Roberta Sessoli tra gli autori di questo articolo.

LO STATO DELL’ARTE

Negli ultimi tre decenni, la nanoscienza ha avuto un’influenza diffusa su varie discipline come la fisica, la chimica e l’ingegneria, portando a nuove scoperte fondamentali, ad applicazioni e prodotti innovativi, alcuni già alla nostra portata. In questo periodo, la scienza e la tecnologia quantistica si sono sviluppate in un contesto interdisciplinare con prospettive applicative e commerciali enormi. Come sappiamo, la meccanica quantistica detta le leggi fondamentali che governano il comportamento dei campi e della materia dalle particelle agli atomi e molecole. Pertanto, tutte le funzionalità su scala nanometrica sono, a un certo livello, sostenute da effetti quantistici. Tuttavia, molti degli attuali dispositivi funzionanti alla nanoscala operano senza sfruttare le proprietà di coerenza quantistica.

Ci sono tre ragioni fondamentali per esplorare la nanoscala. La prima è che, sin dallo sviluppo delle tecnologie informatiche classiche, si è capito il valore della miniaturizzazione: una tecnologia quantistica costruita sulla nanoscienza ha il potenziale per una densità di componenti che si avvicina alla scala eccezionale raggiunta dai dispositivi a semiconduttore, che ha permesso di raggiungere l'era moderna della tecnologia dell'informazione. La seconda è che su scala nanometrica è possibile limitare o manipolare le eccitazioni quantistiche disponibili favorendo il verificarsi di una serie di fenomeni utili. Ad esempio, gli elettroni confinati in regioni di un semiconduttore con dimensioni dell'ordine delle decine di nanometri hanno una energia cinetica quantizzata che offre la possibilità di ingegnerizzare "atomi artificiali" (o quantum dots) con proprietà personalizzate. Terzo aspetto, se si vogliono sfruttare le proprietà quantistiche di queste eccitazioni, devono essere controllate sia le loro interazioni con l’ambiente che tra loro, il che in molti sistemi porta a scale di lunghezza associate, nell'intervallo dei nanometri. Ad esempio, per il tunneling di elettroni tra quantum dots vicini può essere sufficiente separarli con una barriera su scala nanometrica per creare e manipolare sovrapposizioni coerenti di stati di carica. In combinazione con il principio di esclusione di Pauli, l'analogo tunneling di elettroni tra atomi posizionati con separazioni dell’ordine della spaziatura reticolare su una superficie o all'interno di un materiale, o attraverso i legami chimici nelle molecole, dà luogo a interazioni magnetiche efficaci (di scambio o dipolari) che permettono di generare entanglement tra gli spin.

LO STUDIO

In questo articolo si descrivono gli sviluppi più recenti nella nanoscienza, in particolare si parla di una disciplina all’intersezione tra nanoscienza e scienza quantistica, che unisce i campi del magnetismo molecolare, della materia condensata e dei materiali quantistici, ossia la nanoscienza quantistica coerente o Quantum coherent nanoscience. La Quantum-coherent nanoscience fornisce le conoscenze per consentire lo sviluppo di tecnologie quantistiche emergenti come calcolo quantistico, simulazione quantistica, comunicazione quantistica e sensoristica quantistico, basati su nanosistemi allo stato solido o molecolari.

L'obiettivo di questo articolo è illustrare come la capacità di progettare e controllare strutture su scala nanometrica consenta l'implementazione di funzionalità quantistiche coerenti. Questo viene proposto descrivendo una serie di esempi pratici, organizzati sulla base dei gradi di libertà fisici (degrees of freedom, DOF) coinvolti nella dinamica quantistica: la carica elettrica confinata in una o due dimensioni (rispettivamente quantum dots e quantum wires); lo spin di elettroni e nuclei associati a quantum dots, impurezze in semiconduttori, atomi e molecole su superfici o all’interno di giunzioni nanoscopiche, i fotoni emessi e rilevati da nanostrutture; oscillatori nanomeccanici; sistemi quantistici ibridi che coinvolgono l'accoppiamento coerente tra diverse DOF.

Il contributo della chimica a questo settore riguarda principalmente la progettazione e la realizzazione di molecole portatrici di elettroni spaiati. Sebbene le molecole rappresentino la piattaforma quantistica meno investigata, queste presentano caratteristiche uniche. Le proprietà di coerenza delle molecole magnetiche, se opportunamente disegnate, sono comparabili con quelle degli altri sistemi. Presentano una maggiore versatilità nella costruzione del sistema di livelli, o spazio di Hilbert, permettendo la realizzazione di qudits (qubit a più livelli) particolarmente utili per l’implementazione di protocolli per la correzione degli errori. Hanno inoltre il vantaggio di una intrinseca robustezza delle proprietà, impartita dalla struttura chimica preorganizzata, che permette la trasportabilità e l’integrazione con altri sistemi. Per esempio, molecole con coerenza quantistica sono state accoppiate a superconduttori o a nano-oscillatori. La struttura molecolare può essere ingegnerizzata per consentire l’inizializzazione e la “lettura” ottica, in maniera simile a quanto fatto con i difetti di azoto e le vacanze nel diamante, i sensori quantistici attualmente più utilizzati.

Rispetto alle nanostrutture inorganiche che possono sfruttare decenni di sviluppo della tecnologia CMOS basata sul silicio, il controllo elettrico dello spin delle singole molecole è ancora in una fase iniziale ma che progredisce rapidamente. Sono stati recentemente pubblicati i primi esperimenti di risonanza paramagnetica elettronica su singola molecola realizzati con microscopie a scansione di sonda basate sull’effetto tunnel. Questi esperimenti sono stati condotti presso l’istituto di Quantum Nanoscience di Seoul diretto dall’autore corrispondente di questo articolo e coordinatore di questa iniziativa. Il Centro di Riferimento INSTM “Laboratorio di Magnetismo Molecolare” (LaMM) ed il centro per le tecniche a scansione di sonda (CETECS) presso il Dipartimento di Chimica Ugo Schiff collaborano con i laboratori coreani per l’identificazione di nuovi qubit molecolari e la loro integrazione in nanoarchitetture ibride.

Fonte: Nature Nanotechnology

© 2013-2022 - Consorzio Interuniversitario Nazionale per la Scienza e Tecnologia dei Materiali