Pubblicato su Nature Materials studio INSTM su nuovo fenomeno magneto-elettrico riguardante gli spin

È stato pubblicato su Nature Materials uno studio che descrive la possibilità di modulare lo scambio magnetico in molecole monodimesionali con struttura ad elica utilizzando un campo elettrico. Si tratta di un nuovo fenomeno magneto-elettrico che potrebbe aprire la strada all’uso dei campi elettrici per la realizzazione di porte logiche quantistiche basate sugli spin.

La ricerca è stata coordinata da due afferenti INSTM dell’UdR di Firenze, Maria Fittipaldi del Dipartimento di Fisica e Astronomia e Roberta Sessoli del Dipartimento di Chimica. Hanno contributo Andrea Caneschi, del Dipartimento di Ingegneria Industriale dell’ateneo fiorentino e Direttore INSTM, e il dottorando Alberto Cini del Dipartimento di Fisica e Astronomia, recentemente supportato con borse di studio INSTM. Hanno collaborato Giuseppe Annino dell’Istituto IPCF-CNR di Pisa e Alessandro Vindigni dell'ETH di Zurigo.

Il campo di ricerca è quello dei materiali magnetici molecolari, ed in particolare dello spin, una proprietà delle particelle molto promettente come qbit perché riesce a codificare le informazioni in un sistema binario quantistico, ma, per contro, deve essere controllata per poter effettuare le operazioni logiche necessarie alla costruzione di un elaboratore. Lo spin interagisce difficilmente con il mondo esterno ma è sensibile ai campi magnetici. Non lo è, invece, ai campi elettrici, che, però, sono i soli a poter essere facilmente confinati nello spazio a permettere quindi di controllare un singolo spin.

Il lavoro mostra che è possibile modulare con l'applicazione di un campo elettrico l'interazione di scambio fra centri magnetici e che questa interazione, contrariamente ad altri effetti magneto-elettrici, non richiede la presenza di atomi pesanti caratterizzati da una elevata interazione spin-orbita. Il materiale investigato è costituito da fili molecolari in cui si alternano gli spin di ioni manganese e di radicali organici in una struttura ad elica e perciò intrinsecamente chirale. Al variare della mutua orientazione degli spin adiacenti si generano dei dipoli elettrici. L’applicazione del campo elettrico interagisce con i dipoli elettrici spin-dipendenti e origina il fenomeno magneto-elettrico studiato. Questo risultato sperimentale conferma la previsione di un nuovo effetto magnetoelettrico recentemente teorizzata in uno studio del CNR ed è importante per le tecnologie per l'informazione quantistica poiché rappresenta un primo tentativo di controllo dell'interazione fra gli spin, necessario per la realizzazione di porte logiche quantistiche.

La tecnica di indagine utilizzata si basa sulla risonanza paramagnetica elettronica, una spettroscopia che ha una lunga tradizione nella UdR INSTM di Firenze. Lo studio è stato possibile grazie a un’estensione della tecnica sperimentale che consente l’analisi del comportamento magnetico di un sistema sottoposto ad un campo elettrico. L’esperienza nello sviluppo della strumentazione, concretizzatosi anche grazie al supporto tecnico disponibile presso l’Università di Firenze e gli enti di ricerca, hanno consentito di mettere a punto una tecnica d’indagine che permetterà di studiare gli effetti magneto-elettrici anche in altri materiali: una prospettiva molto promettente per lo sviluppo di nuove tecnologie.

Fonte: Electric field modulation of magnetic exchange in molecular helices, Nature Materials

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