Racchiusi in una nanotrappola, gli elettroni si muovono mantenendo una perfetta coordinazione. Una équipe italo-statunitense ne ha misurato per la prima volta le vibrazioni all'interno di un punto quantico. I risultati, pubblicati su Nature Physics, dimostrano che è possibile manipolare il moto degli elettroni con una precisione mai raggiunta prima e aprono nuove prospettive per la computazione quantistica.

Un quartetto di elettroni perfettamente coordinati che si muovono in appena qualche milionesimo di millimetro. Senza fermarsi e senza sbagliare mai una mossa. E con la misura delle vibrazioni collettive di questo sistema, oggi ottenuta per la prima volta, si aprono nuovi scenari per capire cosa accade su scala nanometrica e nascono interessanti prospettive per la computazione quantistica. La ricerca è frutto di una collaborazione internazionale tra INFM-CNR – con i centri S3 di Modena e NEST di Pisa –, Università di Modena e Reggio Emilia, Scuola Normale Superiore e Columbia University di New York. I risultati, ottenuti con un progetto quinquennale, appariranno il 20 aprile su Nature Physics.

Un quartetto di elettroni, confinato in una nanotrappola, si muove in modo coordinato sotto l'azione di un fascio laser. Le oscillazioni collettive delle particelle sono determinate con precisione dalle leggi della fisica quantistica. Manipolare con la luce le proprietà degli elettroni è un primo passo verso la costruzione di computer quantistici.

Per misurare le vibrazioni collettive degli elettroni, le particelle sono state intrappolate in punti quantici (strutture grandi appena qualche miliardesimo di metro) ricavati in un cristallo di arseniuro di gallio. I ricercatori del centro di Pisa, che hanno realizzato le nanotrappole e curato la parte sperimentale dello studio, sono riusciti a determinare la frequenza delle vibrazioni grazie a un fascio di luce laser. I risultati ottenuti in laboratorio sono in accordo con quanto previsto dai ricercatori di Modena che hanno curato la parte teorico-computazionale dello studio: confinati all'interno di un punto quantico, gli elettroni possono muoversi solo in modo coordinato, con distanze medie fissate, e le leggi della meccanica quantistica – le uniche che permettono di descrivere cosa accade – prevedono che queste vibrazioni collettive debbano avere precise frequenze.

Ma come essere sicuri che gli elettroni si muovano in modo sincronizzato ? “Secondo i nostri calcoli – spiega Massimo Rontani, ricercatore del centro S3 di Modena – le frequenze di vibrazione degli elettroni non avrebbero subito cambiamenti nemmeno mettendo in rotazione le particelle all'interno del punto quantico, come quando, mescolando molto lentamente il caffè, le distanze medie fra le particelle non cambiano. E in effetti così è stato: quando un debole campo magnetico ha messo in rotazione gli elettroni le frequenze non sono variate”. Si è quindi ottenuta la prova mancante per confermare la riuscita dell'esperimento.

“Siamo stati in grado non solo di modificare lo spin degli elettroni – aggiunge Vittorio Pellegrini, ricercatore del centro NEST di Pisa – ma anche di mettere in vibrazione il quartetto di elettroni in modo controllato utilizzando debolissimi fasci di luce. Le potenziali applicazioni di questi sistemi per la computazione quantistica sono molte poiché l'opportunità di manipolare le proprietà quantistiche in modo tanto preciso aumenta la quantità di informazione che si riesce ad elaborare. Si possono affrontare dunque problemi più complessi. Certo, tutto questo ha un prezzo, perché i sistemi che consideriamo possono operare solo a bassa temperatura e hanno forzatamente dimensioni piccolissime. Però le potenzialità sono altrettanto straordinarie”.

S. Kalliakos, M. Rontani, V. Pellegrini, C. P. García, A. Pinczuk, G. Goldoni, E. Molinari, L. N. Pfeiffer, K. W. West, "A molecular state of correlated electrons in a quantum dot", Nature Physics advance online publication, 20 April 2008 (doi:10.1038/nphys944).

Data articolo: aprile 2008