La microscopia a effetto tunnel (STM) è impiegata abitualmente da fisici e chimici per catturare immagini su scala atomica di molecole sulle superfici. Ora, un team internazionale guidato da Christian Joachim e collaboratori dell'A*STAR Institute of Materials Research and Engineering ha fatto un ulteriore passo avanti all'STM:utilizzarlo per identificare gli stati quantistici all'interno dei composti "superbenzene" utilizzando misurazioni della conduttanza STM. I loro risultati forniscono una tabella di marcia per lo sviluppo di nuovi tipi di computer quantistici basati su informazioni localizzate all'interno di legami molecolari.

Per accedere agli stati quantistici dell'esabenzocoronene (HBC), una molecola aromatica piatta composta da anelli di benzene interconnessi, i ricercatori l'hanno depositata su un substrato d'oro. Secondo il membro del team We-Hyo Soe, la debole interazione elettronica tra HBC e oro è cruciale per misurare la "conduttanza differenziale" del sistema, una velocità istantanea di carica di corrente con tensione che può essere direttamente collegata alle densità di elettroni all'interno di determinati stati quantistici.

Dopo il raffreddamento a temperature prossime allo zero assoluto, il team ha manovrato la sua punta STM in una posizione fissa sopra il bersaglio HBC. Quindi, hanno scansionato segnali di risonanza di conduttanza differenziale a particolari tensioni. Dopo aver rilevato queste tensioni, hanno mappato la densità elettronica attorno all'intera struttura HBC utilizzando STM. Questa tecnica ha fornito immagini nello spazio reale degli orbitali molecolari del composto, stati quantizzati che controllano il legame chimico.

Quando Joachim e i suoi collaboratori hanno provato a mappare una molecola contenente due unità HBC, un dimero, notarono qualcosa di sconcertante. Hanno rilevato due stati quantistici dalle misurazioni STM prese vicino al centro del dimero, ma solo uno stato quando hanno spostato la punta STM sul bordo del dimero (vedi immagine). Per capire perché, i ricercatori hanno collaborato con teorici che hanno utilizzato calcoli di meccanica quantistica di alto livello per identificare quali orbitali molecolari riproducevano meglio le mappe sperimentali.

La teoria tradizionale suggerisce che i segnali di conduttanza differenziale STM possono essere assegnati a singoli, orbitali molecolari unici. I calcoli dei ricercatori, però, mostrare che questa visione è errata. Anziché, hanno scoperto che gli stati quantistici osservati contenevano miscele di diversi orbitali molecolari, con il rapporto esatto che dipende dalla posizione della punta STM ultra affilata.

Soe osserva che questi risultati potrebbero avere un grande impatto nel campo dell'informatica quantistica. "Ogni risonanza misurata corrisponde a uno stato quantico del sistema, e può essere utilizzato per trasferire informazioni attraverso un semplice spostamento di energia. Questa operazione potrebbe assolvere anche ad alcune funzioni logiche." Tuttavia, aggiunge che avanzato, saranno necessarie teorie a molti corpi per identificare l'esatta composizione e natura degli orbitali molecolari a causa dell'effetto punta dipendente dalla posizione.