I cluster d’oro emergono come alternativa scalabile agli atomi intrappolati nei sistemi quantistici, replicandone le proprietà di spin e aprendo nuove possibilità per quantum computing e tecnologie basate sull’informazione quantistica
L’oro diventa quantistico: la scoperta che potrebbe rivoluzionare sensori e computer del futuro.
L’efficienza dei computer quantistici, dei sensori e di altre applicazioni dipende spesso dalle proprietà degli elettroni, incluso il modo in cui essi ruotano. Uno dei sistemi più accurati per applicazioni quantistiche ad alte prestazioni si basa sullo sfruttamento delle proprietà di spin degli elettroni di atomi intrappolati in un gas, ma questi sistemi sono difficili da scalare per l’uso in dispositivi quantistici più grandi, come i computer quantistici. Ora, un team di ricercatori della Penn State e della Colorado State ha dimostrato come un cluster d’oro possa imitare questi atomi gassosi intrappolati, permettendo agli scienziati di sfruttare queste proprietà di spin in un sistema che può essere facilmente ampliato.
«Per la prima volta, mostriamo che i nanocluster d’oro possiedono le stesse proprietà chiave di spin dei metodi più avanzati attualmente disponibili per i sistemi di informazione quantistica», ha dichiarato il dottor Ken Knappenberger (1), direttore del dipartimento e professore di chimica alla Penn State Eberly College of Science e leader del team di ricerca. «In modo entusiasmante, possiamo anche manipolare un’importante proprietà chiamata polarizzazione di spin in questi cluster, che di solito è fissa in un materiale. Questi cluster possono essere facilmente sintetizzati in quantità relativamente grandi, rendendo questo lavoro una promettente prova di concetto del fatto che i cluster d’oro potrebbero essere utilizzati per supportare una varietà di applicazioni quantistiche».
Due articoli che descrivono i cluster d’oro e confermano le loro proprietà di spin sono apparsi su ACS Central Science (2) e The Journal of Physical Chemistry Letters (3).
«Lo spin di un elettrone non solo influenza importanti reazioni chimiche, ma anche applicazioni quantistiche come il calcolo e il sensing», ha detto il dottor Nate Smith (4), dottorando in chimica alla Penn State Eberly College of Science e primo autore di uno degli articoli. «La direzione in cui un elettrone ruota e il suo allineamento rispetto agli altri elettroni nel sistema possono influenzare direttamente l’accuratezza e la longevità dei sistemi di informazione quantistica».
Proprio come la Terra ruota attorno al proprio asse, che è inclinato rispetto al Sole, un elettrone può ruotare attorno al proprio asse, che può essere inclinato rispetto al suo nucleo. Ma, a differenza della Terra, un elettrone può ruotare in senso orario o antiorario. Quando molti elettroni in un materiale ruotano nella stessa direzione e le loro inclinazioni sono allineate, gli elettroni sono considerati correlati e si dice che il materiale abbia un alto grado di polarizzazione di spin.
«I materiali con elettroni altamente correlati, con un alto grado di polarizzazione di spin, possono mantenere questa correlazione per un periodo di tempo molto più lungo e quindi rimanere accurati molto più a lungo», ha detto Smith.
L’attuale sistema all’avanguardia per un’elevata accuratezza e un basso errore nei sistemi di informazione quantistica coinvolge ioni atomici intrappolati - atomi con una carica elettrica - in uno stato gassoso. Questo sistema permette agli elettroni di essere eccitati a diversi livelli energetici, chiamati stati di Rydberg, che hanno polarizzazioni di spin molto specifiche che possono durare per un lungo periodo di tempo. Consente anche la sovrapposizione degli elettroni, con elettroni che esistono in più stati simultaneamente finché non vengono misurati, una proprietà fondamentale per i sistemi quantistici.
«Questi ioni gassosi intrappolati sono per natura diluiti, il che li rende molto difficili da scalare», ha detto Knappenberger. «La fase condensata richiesta per un materiale solido, per definizione, comprime gli atomi insieme, perdendo quella natura diluita. Quindi, aumentare la scala fornisce tutti gli ingredienti elettronici giusti, ma questi sistemi diventano molto sensibili alle interferenze dell’ambiente. L’ambiente, in pratica, manda in confusione tutte le informazioni che hai codificato nel sistema, quindi il tasso di errore diventa molto elevato. In questo studio, abbiamo scoperto che i cluster d’oro possono imitare tutte le migliori proprietà degli ioni gassosi intrappolati con il vantaggio della scalabilità».
Gli scienziati hanno studiato approfonditamente le nanostrutture d’oro per il loro potenziale utilizzo nella tecnologia ottica, nel sensing, nelle terapie e per accelerare le reazioni chimiche, ma si conosce meno delle loro proprietà magnetiche e dipendenti dallo spin. Negli studi attuali, i ricercatori hanno esplorato in particolare i cluster protetti da monostrato, che hanno un nucleo d’oro e sono circondati da altre molecole chiamate ligandi. I ricercatori possono controllare con precisione la costruzione di questi cluster e possono sintetizzarne quantità relativamente grandi in una sola volta.
«Questi cluster sono chiamati super atomi, perché il loro carattere elettronico è simile a quello di un atomo e ora sappiamo che anche le loro proprietà di spin sono simili», ha detto Smith. «Abbiamo identificato 19 stati distinguibili e unici, simili agli stati di Rydberg e polarizzati nello spin, che imitano le sovrapposizioni che potevamo ottenere negli ioni diluiti intrappolati in fase gassosa. Ciò significa che i cluster possiedono le proprietà chiave necessarie per eseguire operazioni basate sullo spin».
I ricercatori hanno determinato la polarizzazione di spin dei cluster d’oro utilizzando un metodo simile a quello impiegato con gli atomi tradizionali. Mentre un tipo di cluster d’oro presentava una polarizzazione di spin del 7%, un cluster con un ligando diverso si avvicinava al 40% di polarizzazione di spin, valore che, secondo Knappenberger, è competitivo con alcuni dei principali materiali quantistici bidimensionali.
«Questo ci dice che le proprietà di spin dell’elettrone sono intimamente legate alle vibrazioni dei ligandi», ha detto Knappenberger. «Tradizionalmente, i materiali quantistici hanno un valore fisso di polarizzazione di spin che non può essere modificato in modo significativo, ma i nostri risultati suggeriscono che possiamo modificare il ligando di questi cluster d’oro per regolare ampiamente questa proprietà».
Il team di ricerca prevede di esplorare come diverse strutture all’interno dei ligandi influenzino la polarizzazione di spin e come possano essere manipolate per perfezionare le proprietà di spin.
«Il campo quantistico è generalmente dominato da ricercatori in fisica e scienza dei materiali, e qui vediamo l’opportunità per i chimici di usare le nostre competenze di sintesi per progettare materiali con risultati regolabili», ha detto Knappenberger. «Questa è una nuova frontiera nella scienza dell’informazione quantistica».
Oltre a Smith e Knappenberger, il team di ricerca include Juniper Foxley, dottoranda in chimica alla Penn State; Patrick Herbert, che ha conseguito un dottorato in chimica alla Penn State nel 2019; Jane Knappenberger, ricercatrice presso la Penn State Eberly College of Science; così come Marcus Tofanelli e Christopher Ackerson della Colorado State. Il finanziamento dell’Air Force Office of Scientific Research e della U.S. National Science Foundation ha sostenuto questa ricerca.
Riferimenti:
(2) Diverse Superatomic Magnetic and Spin Properties of Au144(SC8H9)60 Clusters
(3) The Influence of Passivating Ligand Identity on Au25(SR)18 Spin-Polarized Emission
(4) Nate Smith
Descrizione foto: I cluster d’oro si dimostrano promettenti come opzioni scalabili per computer quantistici e sensori. - Credit: Foxley et. al., 2025. ACS Central Science.
Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Gold clusters show promise as scalable options for quantum computers, sensors