Un'alternativa per manipolare gli stati quantistici

Gli elettroni hanno un momento angolare intrinseco, il cosiddetto spin, che consente loro di orientarsi lungo un campo magnetico come l'ago di una bussola. Oltre alla carica elettrica degli elettroni, determinante per il loro comportamento nei circuiti elettronici, questo spin viene sempre più utilizzato per memorizzare ed elaborare dati, ad esempio. Esistono già sul mercato elementi di memoria MRAM (magnetic random access memories) che memorizzano le informazioni in magneti molto piccoli, ma pur sempre classici, cioè con un gran numero di spin di elettroni. Le MRAM si basano sul fatto che le correnti di elettroni con spin allineati parallelamente possono modificare la magnetizzazione in un determinato punto di un materiale.

Pietro Gambardella e i suoi collaboratori dell'ETH di Zurigo hanno dimostrato che queste correnti spin-polarizzate possono essere utilizzate anche per controllare gli stati quantici degli spin dei singoli elettroni in una molecola. I loro risultati, appena pubblicati sulla rivista scientifica Science, potrebbero essere utilizzati in futuro in diverse tecnologie, anche per controllare gli stati quantici dei bit quantici (qubit).

Correnti di tunnelling in singole molecole

"Tradizionalmente, gli spin degli elettroni vengono manipolati utilizzando campi elettromagnetici, come onde radio o microonde", spiega Sebastian Stepanow, scienziato senior del laboratorio di Gambardella. Questa tecnica, nota anche come risonanza di spin di elettroni, è stata sviluppata a metà degli anni '40 e da allora è stata utilizzata, tra l'altro, nella ricerca sui materiali, in chimica e in biofisica. "Il fatto che la risonanza di spin degli elettroni possa essere eccitata da singoli atomi è stato dimostrato diversi anni fa, ma il meccanismo esatto di questo fenomeno non era ancora chiaro", spiega Stepanov.

Per studiare più in dettaglio i processi quantomeccanici alla base di questo meccanismo, i ricercatori hanno preparato molecole di pentacene (un idrocarburo aromatico) su un substrato d'argento. Su questo è stato precedentemente applicato un sottile strato isolante di ossido di magnesio. Questo strato garantisce che gli elettroni della molecola si comportino all'incirca come quelli di una molecola nello spazio libero.

I ricercatori hanno innanzitutto utilizzato un microscopio a scansione di tunnel per caratterizzare le nubi di elettroni nella molecola. Si tratta di misurare la corrente generata durante il cosiddetto tunnelling quantomeccanico degli elettroni dalla punta di un ago di tungsteno alla molecola. Secondo le leggi della fisica classica, gli elettroni non potrebbero superare lo spazio tra la punta dell'ago e la molecola perché non hanno l'energia per farlo. La meccanica quantistica, invece, consente agli elettroni di "scavare un tunnel" attraverso lo spazio, generando una corrente misurabile.

Mini-magnete sulla punta dell'ago

Questa corrente di tunnel può essere polarizzata in spin raccogliendo prima con la punta di tungsteno alcuni atomi di ferro, che si trovano anch'essi sullo strato isolante. Gli atomi di ferro formano una sorta di mini-magnete sulla punta. Se una corrente di tunnel scorre attraverso questo magnete, gli spin degli elettroni nella corrente sono tutti allineati parallelamente alla magnetizzazione.

I ricercatori hanno quindi esposto la punta di tungsteno magnetizzata a una tensione continua e a una tensione alternata a oscillazione rapida e hanno misurato la corrente di tunnel risultante. Cambiando l'intensità delle due tensioni e la frequenza della tensione alternata, sono stati in grado di osservare risonanze caratteristiche nella corrente di tunneling. La forma esatta di queste risonanze ha permesso di trarre conclusioni sui processi che avvengono tra gli elettroni di tunnel e quelli della molecola.

Controllo diretto degli spin mediante correnti polarizzate

Stepanov e i suoi colleghi sono riusciti a trarre due conclusioni dai dati. Da un lato, gli spin degli elettroni nella molecola di pentacene hanno reagito al campo elettromagnetico creato dalla tensione alternata come nella normale risonanza di spin degli elettroni. D'altra parte, la forma delle risonanze indicava un processo aggiuntivo che influenzava anche lo spin degli elettroni nella molecola.

"Questo processo è noto come trasferimento di coppia di spin, per il quale la molecola di pentacene è un sistema modello ideale", spiega il dottorando Stepan Kovarik. Nel trasferimento di coppia di spin, lo spin della molecola cambia a causa della corrente di elettroni polarizzata con lo spin, senza l'effetto diretto di un campo elettromagnetico. I ricercatori dell'ETH sono riusciti a dimostrare che in questo modo si possono generare anche stati di sovrapposizione quantomeccanica dello spin molecolare, utilizzati ad esempio nelle tecnologie quantistiche.

"Questo controllo degli spin attraverso correnti spin-polarizzate a livello quantistico apre diverse possibilità di applicazione", spiega Kovarik. A differenza dei campi elettromagnetici, le correnti spin-polarizzate agiscono in modo molto locale e possono essere regolate con una precisione inferiore a un nanometro. Tali correnti potrebbero essere utilizzate per controllare con precisione gli elementi di commutazione elettronica nei dispositivi quantistici e quindi controllare gli stati quantici dei qubit magnetici, ad esempio.