A Hybrid High-Spin Molecular Magnet for an Integrated Sensing–Storage Quantum Register

Nella ricerca di un computer quantistico, gli scienziati sono alla ricerca di sistemi minuscoli e controllabili che possano contenere informazioni. Questi sistemi, noti come qubit, sono le unità fondamentali della memoria quantistica, capaci di esistere in più stati contemporaneamente. Mentre molti ricercatori cercano di utilizzare materiali solidi come i diamanti o i circuiti superconduttori per ospitare questi qubit, altri si rivolgono a singole molecole. Le molecole offrono un vantaggio unico: sono unità autosufficienti dove diversi tipi di spin atomici possono coesistere. Un tipo di spin, presente negli elettroni, è altamente sensibile ai campi magnetici, il che lo rende eccellente per percepire l'ambiente circostante. Un altro tipo di spin, presente nei nuclei atomici, è molto più isolato e stabile, il che lo rende ideale per conservare le informazioni per lunghi periodi. La sfida è stata quella di combinare queste due distinte capacità in una singola molecola che possa percepire un segnale e poi immediatamente "bloccare" quell'informazione prima che svanisca.

Un team di ricercatori ha ora dimostrato che una specifica molecola, una gabbia di carbonio contenente un singolo atomo di fosforo, può fungere da questo sistema integrato. Questa molecola, nota come fullerene endoedrico di fosforo, agisce come un registro quantistico ibrido. I ricercatori hanno sintetizzato con successo questa molecola utilizzando un metodo più sicuro ed efficiente rispetto ai tentativi precedenti, producendola in quantità su scala di grammi. Hanno poi mappato la struttura magnetica interna della molecola, rivelando un complesso insieme di otto livelli energetici distinti formati dall'interazione tra l'elettrone e il nucleo di fosforo. Utilizzando impulsi microonde e a radiofrequenza precisi, hanno dimostrato di poter controllare ogni singola transizione all'interno di questa struttura. Questo livello di controllo ha permesso loro di creare uno stato in cui la molecola poteva rilevare deboli segnali magnetici con maggiore chiarezza rispetto al passato. Ancora più importante, hanno provato che potevano trasferire l'informazione raccolta dallo spin elettronico sensibile allo spin nucleare stabile, preservando i dati per una durata quasi mille volte superiore a quella che l'elettrone potrebbe mantenere da solo.

Il viaggio verso questa scoperta è iniziato dalla necessità di un modo più sicuro per creare la molecola. I metodi precedenti si affidavano a gas altamente tossici per inserire l'atomo di fosforo nella gabbia di carbonio, il che comportava significativi rischi per la sicurezza e limitava la produzione. I ricercatori hanno sviluppato un nuovo approccio utilizzando fosforo rosso solido mescolato con un legante polimerico. Hanno ionizzato questo materiale solido e lo hanno sparato contro un vapore di carbonio, permettendo al fosforo di rimanere intrappolato all'interno delle gabbie di carbonio. Questo processo privo di pericoli ha permesso loro di produrre la materia prima a un ritmo di grammi al giorno. Dopo aver purificato la miscela, hanno confermato la presenza della molecola desiderata tramite spettrometria di massa, che mostrava l'esatto peso di una gabbia di carbonio che ospita un singolo atomo di fosforo.

Con la molecola in mano, il team si è concentrato sulla comprensione del suo comportamento magnetico. L'atomo di fosforo all'interno della gabbia trasporta sia uno spin elettronico che uno spin nucleare. Lo spin elettronico è forte e interagisce con il campo magnetico circostante, mentre lo spin nucleare è debole e silenzioso. Quando posto in un campo magnetico, questi due spin interagiscono per creare un insieme di otto livelli energetici distinti, formando di fatto un sistema a tre qubit all'interno di una singola molecola. I ricercatori hanno utilizzato una tecnica chiamata risonanza paramagnetica elettronica per sondare questi livelli. Hanno scoperto che la gabbia di carbonio, pur essendo generalmente protettiva, è leggermente distorta dalle molecole di solvente circostanti. Questa distorsione crea un sottile campo magnetico interno che scinde ulteriormente i livelli di energia, permettendo ai ricercatori di indirizzare ogni transizione individualmente. Questo è stato un passaggio critico, poiché i tentativi precedenti di controllare sistemi così complessi erano spesso ostacolati dall'incapacità di distinguere tra i diversi stati energetici.

I ricercatori hanno poi dimostrato di poter manipolare questi livelli energetici con alta precisione. Hanno applicato impulsi microonde per pilotare lo spin elettronico e impulsi a radiofrequenza per pilotare lo spin nucleare. Calcolando attentamente la durata di questi impulsi, sono stati in grado di creare stati quantistici complessi che si estendono su più livelli energetici simultaneamente. Hanno misurato quanto a lungo potessero sopravvivere questi stati, scoprendo che la molecola manteneva la sua coerenza quantistica per un tempo significativo, anche a temperature in cui molti altri sistemi falliscono. Questa stabilità ha permesso loro di eseguire un tipo specifico di misurazione noto come modulazione dell'inviluppo dell'eco dello spin elettronico. In questo processo, la molecola agisce come un sensore, rilevando minuscole fluttuazioni nell'ambiente magnetico. I ricercatori hanno scoperto che, utilizzando la natura multi-livello dello spin elettronico, potevano migliorare la chiarezza di questo segnale, migliorando il rapporto segnale-rumore di un fattore di 2,4 rispetto ai metodi standard.

Il raggiungimento più significativo dello studio è stato l'integrazione di rilevamento e archiviazione. Una volta che lo spin elettronico ha percepito un ambiente magnetico, i ricercatori hanno trasferito quell'informazione al nucleo di fosforo. Questo trasferimento era cruciale perché lo spin elettronico è veloce ma fugace, mentre lo spin nucleare è lento ma duraturo. Spostando l'informazione quantistica dall'elettrone al nucleo, hanno preservato i dati molto dopo che l'elettrone aveva perso la sua coerenza. Hanno misurato il tempo in cui l'informazione è rimasta memorizzata nel nucleo e hanno trovato che era di 20,8 millisecondi. Questa durata è circa 1.300 volte superiore al tempo che lo spin elettronico avrebbe potuto mantenere l'informazione da solo. Questo risultato prova che una singola molecola può funzionare come un registro quantistico completo, capace di percepire il mondo e di archiviare la memoria di tale interazione all'interno di se stessa.

Questo lavoro stabilisce un nuovo standard per i sistemi quantistici molecolari. Combinando uno spin elettronico ad alto spin con uno spin nucleare in una singola molecola ingegnerizzata chimicamente, i ricercatori hanno creato una piattaforma versatile che unisce le migliori proprietà di entrambi. La capacità di sintetizzare queste molecole in modo sicuro e in grandi quantità apre la porta a un'ulteriore esplorazione. La capacità della molecola di potenziare la sensibilità di rilevamento ed estendere i tempi di archiviazione suggerisce che tali sistemi ibridi potrebbero giocare un ruolo vitale nelle future tecnologie quantistiche. Lo studio conferma che il pieno potenziale di questi magneti molecolari risiede nella loro capacità di colmare il divario tra il rilevamento rapido e la memoria a lungo termine, il tutto entro i confini di una singola, minuscola struttura.