I fisici dell'Università di Ratisbona hanno trovato un modo per manipolare lo stato quantistico dei singoli elettroni utilizzando un microscopio con risoluzione atomica. I risultati dello studio sono stati ora pubblicati sulla rivista Nature .

Noi e tutto ciò che ci circonda siamo costituiti da molecole. Le molecole sono così piccole che anche un granello di polvere ne contiene un numero infinito. Ora è possibile ottenere regolarmente immagini precise di tali molecole con un microscopio a forza atomica, che funziona in modo molto diverso da un microscopio ottico:si basa sul rilevamento di minuscole forze tra una punta e la molecola in esame.

Utilizzando questo tipo di microscopio è possibile persino visualizzare la struttura interna di una molecola. Sebbene si possa osservare la molecola in questo modo, ciò non implica conoscere tutte le sue diverse proprietà. Ad esempio, è già molto difficile determinare di che tipo di atomi è composta la molecola.

Fortunatamente, esistono altri strumenti in grado di determinare la composizione delle molecole. Uno di questi è la risonanza di spin elettronico, che si basa su principi simili a quelli di uno scanner MRI in medicina. Nella risonanza di spin elettronico, tuttavia, di solito sono necessarie innumerevoli molecole per ottenere un segnale sufficientemente grande da essere rilevabile. Con questo approccio non è possibile accedere alle proprietà di ogni molecola, ma solo alla sua media.

I ricercatori dell'Università di Ratisbona, guidati dal Prof. Dr. Jascha Repp dell'Istituto di fisica sperimentale e applicata dell'UR, hanno ora integrato la risonanza di spin elettronico nella microscopia a forza atomica.

È importante sottolineare che la risonanza dello spin elettronico viene rilevata direttamente con la punta del microscopio, in modo tale che il segnale provenga solo da una singola molecola. In questo modo, possono caratterizzare le singole molecole uno per uno. Ciò consente di determinare di quali atomi è composta la molecola appena immaginata.

"Potremmo anche discriminare molecole che non differiscono per il tipo di atomi di cui sono composte, ma solo per i loro isotopi, cioè per la composizione dei nuclei degli atomi", aggiunge Lisanne Sellies, la prima autrice di questo studio.

"Tuttavia, siamo ancora più incuriositi da un'altra possibilità che comporta la risonanza di spin elettronico. Questa tecnica può essere utilizzata per gestire lo stato spin-quantico degli elettroni presenti nella molecola", afferma il Prof. Dr. Repp.

I computer quantistici memorizzano ed elaborano le informazioni codificate in uno stato quantistico. Per eseguire un calcolo, i computer quantistici devono manipolare uno stato quantistico senza perdere le informazioni attraverso la cosiddetta decoerenza. I ricercatori di Ratisbona hanno dimostrato che con la loro nuova tecnica è possibile operare lo stato quantistico dello spin in una singola molecola molte volte prima che lo stato decoerasse.

Poiché la tecnica della microscopia consente l'immagine delle singole vicinanze della molecola, la tecnica appena sviluppata potrebbe aiutare a capire come la decoerenza in un computer quantistico dipenda dall'ambiente su scala atomica e, eventualmente, come evitarla.

Ulteriori informazioni: Lisanne Sellies, Raffael Spachtholz, Sonja Bleher, Jakob Eckrich, Philipp Scheuerer, Jascha Repp, Risonanza di spin elettronico di una singola molecola mediante microscopia a forza atomica, Natura (2023). DOI:10.1038/s41586-023-06754-6

Informazioni sul giornale: Natura

Fornito dall'Università di Ratisbona