Da oggi abbiamo a disposizione una molecola nuova di zecca. A riuscire nell’impresa è stato un team internazionale di ricercatori di Ibm e delle università di Manchester, Oxford, Regensburg, Eth Zurich ed École Polytechnique Fédérale de Lausanne (Epfl) che ha appunto sintentizzato una molecola con una configurazione unica, nella quale gli elettroni si muovono seguendo un percorso elicoidale che ne modifica il comportamento chimico. Un traguardo, appena pubblicato in uno studio su Science, che rappresenta la prima osservazione di una molecola con topologia elettronica (ossia la proprietà che governa il movimento degli elettroni) half‑Möbius grazie ai computer quantistici e che apre nuove possibilità per esplorare la materia e i suoi complessi fenomeni.
La nuova molecola
Con la formula C₁₃Cl₂, la nuova molecola è stata assemblata utilizzando 13 atomi di carbonio e due atomi di cloro in una forma ad anello attraverso impulsi di tensione calibrati con precisione, in condizioni di ultra‑alto vuoto e temperature prossime allo zero assoluto. Tramite microscopia a effetto tunnel, microscopia a forza atomica e simulazioni quantistiche, i ricercatori hanno così osservato una configurazione elettronica unica: una struttura che ruota di 90 gradi per ogni ciclo e che richiede 4 rotazioni complete per ritornare alla fase iniziale. Inoltre, questa topologia elettronica half‑Möbius, diversa da qualsiasi molecola conosciuta ( ricordiamo brevemente che in matematica il noto nastro o anello di Möbius è una superficie che può essere formata unendo le estremità di una striscia di carta con una mezza torsione), può essere regolata in modo reversibile in tre stati: ruotata in senso orario, antiorario oppure non ruotata.
I progressi
La scoperta della nuova molecola segna un passo cruciale su due fronti. Per la chimica, perché dimostra che la topologia elettronica può essere progettata e non soltanto osservata in natura. Ma anche per il quantum‑centric supercomputing. La comprensione del comportamento elettronico della nuova molecola, infatti, ha evidenziato i limiti dei sistemi tradizionali: gli elettroni mostrano interazioni altamente entangled, in cui ogni particella influenza simultaneamente tutte le altre e simulare accuratamente un tale sistema richiede una potenza computazionale che cresce in modo esponenziale. Capacità che i calcolatori tradizionali non hanno, ma di cui sono provvisti i computer quantistici che, operando secondo le stesse leggi quantomeccaniche che governano gli elettroni, permettono appunto una rappresentazione diretta di questi sistemi.
L’aiuto dei computer quantistici
Nel corso dell’esperimento, grazie a un computer quantistico Ibm, i ricercatori hanno identificato orbitali molecolari elicoidali per l’aggiunta di elettroni, un’impronta distintiva della topologia half‑Möbius. Le simulazioni quantistiche hanno inoltre permesso di spiegare l’origine del comportamento osservato, riconducendolo a un effetto pseudo–Jahn–Teller elicoidale. “Abbiamo progettato una molecola teoricamente realizzabile, l’abbiamo costruita e poi ne abbiamo validato il comportamento utilizzando un computer quantistico”, ha commentato Alessandro Curioni, IBM Fellow, Vice President, Europe and Africa, and Director of IBM Research Zurich. “È un passo importante verso la visione formulata decenni fa da Richard Feynman: creare un computer in grado di simulare la fisica quantistica. Questo risultato avvicina ulteriormente quel traguardo e apre nuove possibilità per esplorare la materia e i suoi fenomeni più complessi.”
