Molecole chirali isolate come filtri di spin: un nuovo strumento per le tecnologie quantistiche

Pubblicata su “Science” la prima evidenza del fenomeno in uno studio dell’Università di Parma e della Northwestern University

PARMA – Che cosa distingue la destra dalla sinistra? Oltre alle mani, molte molecole che formano il nostro organismo (amminoacidi, zuccheri, DNA) sono “chirali”: hanno cioè la stessa struttura, ma sono l’una l’immagine speculare dell’altra. Alcune di esse si avvolgono ad esempio a formare un’elica destrorsa o sinistrorsa. Oltre a prendere parte a complessi processi biologici in cui la chiralità può giocare un ruolo chiave, queste molecole organiche potrebbero avere un enorme impatto tecnologico. Recentemente infatti è stato proposto il loro utilizzo per la costruzione di super-calcolatori (computer quantistici) in grado di operare a temperature relativamente elevate, evitando l’enorme dispendio energetico attualmente richiesto per raffreddare questi dispositivi a temperature prossime allo zero assoluto.

Alla base di questa tecnologia potenzialmente rivoluzionaria sta la capacità delle molecole chirali di filtrare lo spin degli elettroni che le attraversano. Questo fenomeno di filtro (Chirality-Induced Spin Selectivity, CISS) è stato “visto” per la prima volta su molecole chirali isolate in uno studio congiunto (Direct Observation of Chirality-Induced Spin Selectivity in Electron Donor-Acceptor Molecules) condotto dall’Università di Parma (con i docenti del Dipartimento di Scienze Matematiche, Fisiche e Informatiche Stefano Carretta e Alessandro Chiesa) e dalla Northwestern University (con il docente Michael Wasielewski e i suoi collaboratori) e appena pubblicato sulla rivista “Science”.

Misure di risonanza paramagnetica elettronica risolte in tempo, combinate con un accurato modello teorico, hanno permesso di evidenziare una firma inequivocabile del CISS in molecole chirali, completamente assente nell’analogo non chirale. Un risultato di notevole rilievo, che delinea scenari potenzialmente molto interessanti proprio in ambito tecnologico.

Il lavoro si inserisce nell’ambito del progetto ERC-Synergy CASTLE, i cui principal investigators sono Stefano Carretta (Università di Parma), Michael Wasielewski (Northwestern University), Roberta Sessoli (Università di Firenze) e Robert Bittl (Freie Universitat di Berlino), e si colloca nelle attività di magnetismo molecolare iniziate a Parma oltre 25 anni fa da Giuseppe Amoretti, docente di Fisica.

Questa prima osservazione del CISS su molecole isolate (non appoggiate su alcun substrato o interfaccia) apre la strada al suo utilizzo nella realizzazione di computer quantistici. Come recentemente proposto all’interno dello stesso progetto, il fenomeno permetterebbe infatti di leggere e scrivere lo stato di singoli spin ad alta temperatura, una delle sfide più importanti per la realizzazione di questi dispositivi.

CISS: Chirality-Induced Spin Selectivity
Il CISS riguarda il passaggio di elettroni attraverso molecole chirali. Questi elettroni trasportano carica elettrica a una sorta di piccola calamita, chiamata spin. Ed esattamente come una vite destrorsa si infila soltanto nella propria filettatura, una molecola chirale filtra lo spin degli elettroni che la attraversano, selezionando le calamite con il polo Nord oppure Sud orientato in avanti lungo la direzione del moto. La prima osservazione del CISS in molecole isolate da qualsiasi substrato apre la strada a una vera comprensione microscopica del fenomeno, finora mascherato dalla presenza di complesse interfacce.