Molecole come circuiti per computer quantistici, nuova scoperta

I fisici della TU Graz hanno scoperto che alcune molecole possono essere stimolate da impulsi di luce infrarossa per generare piccoli campi magnetici. Se anche le prove sperimentali avranno successo, questa tecnica potrebbe essere potenzialmente applicata ai circuiti dei computer quantistici.

Quando irradiate con luce infrarossa, alcune molecole come le ftalocianine metalliche vibrano e generano minuscoli campi magnetici localizzati. I ricercatori hanno calcolato questi effetti e mirano a dimostrare e manipolare sperimentalmente questi campi per potenziali applicazioni nell’informatica quantistica.
Quando irradiate con luce infrarossa, alcune molecole come le ftalocianine metalliche vibrano e generano minuscoli campi magnetici localizzati. I ricercatori hanno calcolato questi effetti e mirano a dimostrare e manipolare sperimentalmente questi campi per potenziali applicazioni nell’informatica quantistica.

Vibrazioni molecolari innescate da luce infrarossa

Quando le molecole assorbono la luce infrarossa, iniziano a vibrare mentre ricevono energia. Andreas Hauser dell’Istituto di fisica sperimentale dell’Università di Tecnologia di Graz (TU Graz) ha utilizzato questo processo ben noto come base per esplorare se queste vibrazioni possano essere sfruttate per produrre campi magnetici. Poiché i nuclei atomici trasportano una carica positiva, il movimento di queste particelle cariche determina la creazione di un campo magnetico.

Prendendo l’esempio delle ftalocianine metalliche – molecole coloranti planari a forma di anello – Andreas Hauser e il suo team hanno ora calcolato che, a causa della loro elevata simmetria, queste molecole generano effettivamente minuscoli campi magnetici nell’ordine dei nanometri quando gli impulsi infrarossi agiscono su di loro.

Secondo i calcoli dovrebbe essere possibile misurare l’intensità del campo piuttosto bassa ma localizzata in modo molto preciso utilizzando la spettroscopia di risonanza magnetica nucleare. I ricercatori hanno pubblicato i loro risultati sul Journal of American Chemical Society.

Andreas Hauser dell'Istituto di fisica sperimentale della TU Graz. Credito: Lunghammer – TU Graz
Andreas Hauser dell’Istituto di fisica sperimentale della TU Graz. Credito: Lunghammer – TU Graz

Danza circolare delle molecole

Per i calcoli, il team si è basato sul lavoro preliminare degli albori della spettroscopia laser, alcuni dei quali vecchi di decenni. Hanno anche utilizzato la moderna teoria della struttura elettronica sui supercomputer del Vienna Scientific Cluster e del TU Graz per calcolare come si comportano le molecole di ftalocianina quando irradiate con luce infrarossa polarizzata circolarmente. Quello che è accaduto è che le onde luminose polarizzate circolarmente, cioè attorcigliate elicoidalmente, hanno eccitato contemporaneamente due vibrazioni molecolari ad angolo retto l’una rispetto all’altra.

Andreas Hauser ha spiegato: “Come ben sanno le coppie che si cimentano nella rumba, la combinazione armoniosa di passi avanti-indietro e laterali crea un circuito chiuso di piccole dimensioni. Questo movimento circolare, compiuto da ciascun nucleo atomico coinvolto, genera effettivamente un campo magnetico, ma di portata estremamente locale, con dimensioni nell’ordine di pochi nanometri”.

Rappresentazione schematica di una molecola di ftalocianina metallica che viene posta in due vibrazioni (rosso e blu), creando un momento dipolare elettrico rotante (verde) nel piano molecolare e quindi un campo magnetico. Crediti: Wilhelmer/Diez/Krondorfer/Hauser – TU Graz
Rappresentazione schematica di una molecola di ftalocianina metallica che viene posta in due vibrazioni (rosso e blu), creando un momento dipolare elettrico rotante (verde) nel piano molecolare e quindi un campo magnetico. Crediti: Wilhelmer/Diez/Krondorfer/Hauser – TU Graz

Molecole come circuiti nei computer quantistici

Manipolando selettivamente la luce infrarossa è addirittura possibile controllare l’intensità e la direzione del campo magnetico, secondo Andreas Hauser. Questo trasformerebbe le molecole in interruttori ottici ad alta precisione, che forse potrebbero essere utilizzati anche per costruire circuiti per un computer quantistico.

Insieme ai colleghi dell’Istituto di fisica dello stato solido della TU Graz e a un team dell’Università di Graz, Andreas Hauser vuole ora dimostrare sperimentalmente che i campi magnetici molecolari possono essere generati in modo controllato.

Hauser ha concluso: “Per prova, ma anche per applicazioni future, la molecola di ftalocianina deve essere posizionata su una superficie. Questo però modifica le condizioni fisiche, che a loro volta influenzano l’eccitazione indotta dalla luce e le caratteristiche del campo magnetico. Vogliamo quindi trovare un materiale di supporto che abbia un impatto minimo sul meccanismo desiderato”.

Nella fase successiva, il fisico e i suoi colleghi vogliono calcolare le interazioni tra le ftalocianine depositate, il materiale di supporto e la luce infrarossa prima di mettere alla prova negli esperimenti le varianti più promettenti.

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