Gli elettroni hanno un momento angolare intrinseco, noto come spin, che permette 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 colleghi del Politecnico 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 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 tunnel nelle singole molecole
"Tradizionalmente, gli spin degli elettroni vengono manipolati utilizzando campi elettromagnetici, come le radio o le microonde", spiega Sebastian Stepanow, scienziato senior del laboratorio di Gambardella. Questa tecnica, nota anche come risonanza degli spin degli elettroni, è stata sviluppata a metà degli anni ’40 e da allora è stata utilizzata, tra l’altro, nella ricerca sui materiali, nella chimica e nella 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.
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, anch’essi situati sullo strato isolante. Gli atomi di ferro formano una sorta di mini-magnete sulla punta. Se una corrente di tunnel attraversa questo magnete, gli spin degli elettroni nella corrente sono tutti allineati parallelamente alla sua 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 tunnel. 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 dello spin attraverso correnti polarizzate
Stepanov e i suoi colleghi sono riusciti a trarre due conclusioni dai dati. Da un lato, gli spin degli elettroni della 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 sono riusciti a dimostrare che in questo modo si possono generare anche stati di sovrapposizione quantistica 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.
