Una molecola completamente nuova, mai osservata prima, nella quale gli elettroni si muovono seguendo un percorso elicoidale simile a un nastro di Möbius. È il risultato di una ricerca internazionale guidata da IBM insieme a University of Manchester, Oxford University, ETH Zurich, EPFL e University of Regensburg.
La scoperta, pubblicata su Science, rappresenta la prima osservazione di una topologia elettronica half-Möbius in una singola molecola. In altre parole, gli elettroni non si distribuiscono attorno alla molecola nel modo tradizionale ma seguono una traiettoria elicoidale che cambia profondamente le proprietà elettroniche e chimiche del sistema.
Secondo i ricercatori si tratta di una configurazione mai sintetizzata, osservata o formalmente prevista prima d’ora. Comprendere il comportamento elettronico di questa molecola ha richiesto anche strumenti di calcolo avanzati: simulazioni quantistiche ad alta fedeltà eseguite con tecnologie di quantum-centric supercomputing.
“È un passo importante verso la visione formulata decenni fa da Richard Feynman: creare un computer in grado di simulare la fisica quantistica”, ha dichiarato Alessandro Curioni, IBM Fellow e direttore di IBM Research Zurich. “Questo risultato avvicina ulteriormente quel traguardo e apre nuove possibilità per esplorare la materia e i suoi fenomeni più complessi”.
Una molecola senza precedenti
La molecola, con formula C₁₃Cl₂, è stata costruita atomo per atomo nei laboratori IBM partendo da un precursore sintetizzato all’Università di Oxford.
Per realizzarla i ricercatori hanno utilizzato tecniche di manipolazione atomica estremamente precise, rimuovendo singoli atomi tramite impulsi di tensione calibrati con grande accuratezza. L’esperimento è stato condotto in condizioni di ultra-alto vuoto e temperature prossime allo zero assoluto, ambienti indispensabili per controllare il comportamento degli elettroni a scala molecolare.
Le analisi effettuate con microscopia a effetto tunnel e microscopia a forza atomica, insieme alle simulazioni quantistiche, hanno rivelato una configurazione elettronica completamente nuova.
Gli orbitali elettronici mostrano infatti una struttura che ruota di 90 gradi per ogni ciclo e richiede quattro rotazioni complete per tornare alla fase iniziale. Questa particolare disposizione prende il nome di topologia elettronica half-Möbius, una configurazione mai osservata prima in una molecola.
Un’altra caratteristica interessante è che questa topologia può essere regolata in modo reversibile. La struttura elettronica può infatti assumere tre stati diversi: ruotata in senso orario, ruotata in senso antiorario oppure non ruotata.
Questo significa che la topologia elettronica potrebbe diventare in futuro un nuovo parametro progettuale nella chimica molecolare.
A sinistra l’immagine sperimentale della densità orbitale elettronica della molecola half-Möbius; a destra la simulazione STM della stessa struttura ottenuta tramite calcolo quantistico. Immagine: IBM Research.
Il ruolo del quantum-centric supercomputing
La comprensione del comportamento elettronico della molecola C₁₃Cl₂ ha evidenziato i limiti dei sistemi di calcolo tradizionali. Gli elettroni, infatti, mostrano interazioni altamente entangled, nelle quali ogni particella influenza simultaneamente tutte le altre.
Simulare accuratamente un sistema di questo tipo con computer classici richiederebbe una potenza computazionale che cresce in modo esponenziale.
I computer quantistici, invece, operano secondo le stesse leggi quantomeccaniche che governano gli elettroni e permettono quindi una rappresentazione diretta di questi fenomeni. Parlano, in altre parole, lo stesso linguaggio quantistico della materia che sono progettati per studiare.
Nel paradigma del quantum-centric supercomputing, le quantum processing unit (QPU) lavorano insieme a CPU e GPU tradizionali. Il sistema suddivide i problemi complessi e assegna ogni parte dell’elaborazione all’architettura più adatta.
Grazie a questo approccio i ricercatori sono riusciti a identificare orbitali molecolari elicoidali per l’aggiunta di elettroni, una firma distintiva della topologia half-Möbius.
Le simulazioni quantistiche hanno inoltre permesso di spiegare l’origine del fenomeno osservato, riconducendolo a un effetto pseudo-Jahn-Teller di natura elicoidale.
Perché questa scoperta è importante
La ricerca dimostra per la prima volta che la topologia elettronica di una molecola può essere progettata e non soltanto osservata in sistemi naturali.
In prospettiva, la possibilità di controllare la forma degli orbitali elettronici potrebbe aprire nuove strade nella progettazione di materiali con proprietà completamente nuove.
Tra le applicazioni possibili ci sono materiali quantistici avanzati, dispositivi di spintronica, elettronica molecolare e sistemi capaci di controllare con grande precisione il trasporto di carica e di spin.
Non si tratta solo di una curiosità da laboratorio. Se questa architettura elettronica potrà essere riprodotta e controllata in sistemi più complessi, la scoperta potrebbe diventare un nuovo strumento per progettare materiali e dispositivi con proprietà finora considerate fuori portata.
