RICERCA ITALIANA     

8 Luglio 2008

Ricerca sullo Spin: si prospettano computer più potenti

I computer del futuro potrebbero avere la capacità di immagazzinare una maggiore quantità di informazioni, offrendo così la possibilità di risolvere problemi oggi troppo complessi per i computer attualmente disponibili.
Questo grazie ai computer quantistici che utilizzerebbero lo spin come un bit quantico, a differenza dei computer classici che usano bit binari ed elaborano i dati sotto forma di 'zero' e 'uno'.

Tutto ciò sarà possibile grazie ai risultati di uno studio condotto da Roberta Sessoli, Andrea Caneschi dell'Università di Firenze e Dante Gatteschi (Presidente dell'Instm).

L'importanza di questa ricerca è stata riconosciuta a livello mondiale, tant'è che la rivista Nature ha parlato di "pietra miliare" della Storia della Fisica nell'articolo Milestone in Spin pubblicato lo scorso febbraio.

Innanzitutto, va chiarito il concetto di Spin.
Si tratta di una caratteristica degli elettroni e di parecchi nuclei che conferisce loro proprietà magnetiche. Applicazioni degli Spin nucleari si hanno nella risonanza magnetica usata in medicina e nello studio delle sostanza chimiche incluse le proteine mentre gli spin elettronici sono alla base dell'infinità di magneti che usiamo nella vita quotidiana.

La preziosa intuizione della Sessoli è stata che l'uso di molecole, invece di particelle di ossidi o metalli magnetici, adoperati fino ad allora, poteva risolvere il problema dell'osservazione di fenomeni della Fisica quantistica, come l'effetto tunnel dello spin, in sistemi intermedi tra gli atomi singoli, che rispondono alle leggi della fisica quantistica, e i sistemi macroscopici che seguono invece quelle della Fisica classica. La difficoltà era quella di avere a disposizione magneti di dimensioni identiche, condizione difficile da rispettare con le particelle che tendono a essere una diversa dall'altra. Le molecole sono necessariamente tutte uguali, se si trovava quella giusta si poteva avere una conferma della teoria, ed è quello che è accaduto.

Dopo una prima intuizione della dott.ssa Sessoli, il passo successivo ha riguardato la scoperta che una molecola che contiene 12 ioni manganese, Mn12, e molecole organiche come quelle presenti nell'aceto, a bassa temperatura si comporta come un magnete piccolissimo. Applicando un campo magnetico a una polvere policristallina di Mn12, lo spin degli elettroni è perturbato e si allinea alla fonte magnetica. Una volta rimosso il campo magnetico, le molecole tendono a tornare alla condizione di spin di equilibrio non magnetizzata.
Tuttavia si è scoperto che più la temperatura è bassa, più tempo impiegano a farlo, restando magnetizzate anche a campo nullo. Cambiando la polarità del campo si oserva un "comportamento ciclico" detto isteresi che è stato ben studiato per magneti di dimensioni macroscopiche, cioè contententi milioni di miliardi di atomi, ed è alla base del proceso che permette il salvataggio dei dati nei nostri computer.

A questo importante risultato mancava ancora l'osservazione dei fenomeni quantistici. Come si capì dopo, questo era dovuto al fatto che si era usata una polvere disordinata, che aveva annullato parte dei vantaggi delle molecole. Il secondo passo decisivo è stato la misura effettuata su monocristalli che nel frattempo si era riusciti a sintetizzare, che hanno messo ordine sui magneti elementari. L'isteresi mostra degli scalini a valori precisi del campo magnetico applicato: questi salti, sono la firma di comportamento che in Fisica si definisce "quantistico".

L'isteresi osservata nelle molecole di Mn12 è importante perché permette di associare a ciascuna molecola un bit, facendone elementi di memoria di dimensione di 10 miliardesimi di metro, aprendo così la strada ad applicazioni finora impensate.

La ricercatrice Roberta Sessoli ci ha concesso un'intervista che riportiamo qui di seguito.

Quando e come ha iniziato ad appassionarsi a questo studio?
La mia passione per il magnetismo risale addirittura al secondo anno di Università quando nell’insegnamento di Fisica II veniva introdotto, uso il passato perché adesso l’organizzazione dei corsi di Laurea è molto cambiata, l’elettromagnetismo. Sicuramente è stato uno dei corsi che mi ha appassionata di più. Le mie scelte di studio negli anni successivi, pur essendo io una studentessa di chimica, non hanno mai perso di vista il magnetismo e altri aspetti della fisica che hanno continuato ad attrarre la mia attenzione. L’opportunità datami dal mio tutore, il Professor Dante Gatteschi, tuttora alla guida di questa ricerca, di lavorare nel magnetismo molecolare si conciliava perfettamente la mia “vecchia” passione con la mia formazione di chimico inorganico. L’esperienza di studio in Francia, ad Orsay, durante la tesi, a stretto contatto con fisici sperimentali ha contribuito ad ampliare le mie conoscenze nel campo del magnetismo, ponendomi in una condizione un po’ particolare per il tempo, cioè all’interfaccia di due comunità, quella fisica più rivolta alla costruzione di strumenti, all’esecuzione di misure raffinate ed alla elaborazione di teorie, e quella chimica rivolta alla sintesi di nuovi sistemi, che in quegli anni erano abbastanza separate.

Quando è iniziata/finita questa ricerca e quanti ricercatori ha coinvolto?
Agli inizi degli anni ’90 cominciammo ad interessarci a cluster polinucleari, piccoli gruppi di ioni paramagnetici legati tra loro, generalmente circondati da un guscio di leganti organici. La maggior parte della comunità chimica del magnetismo era interessata in quel momento a strutture estese con l’obiettivo di ottenere composti organici o metallo-organici che fossero dei magneti a temperatura ambiente. Di nuovo il contributo del Prof. Gatteschi fu veramente cruciale. Con grande lungimiranza ci spinse a lavorare su sistemi che si basavano invece su grandi molecole isolate, una anticipazione dell’approccio bottom-up ai sistemi nanometrici oggi molto utilizzato come evoluzione dei metodi tradizionali che sono invece top-down. Nel nostro laboratorio questa ricerca ormai quasi ventennale ha formato molti giovani, sopratutto stranieri, che adesso dirigono a loro volta gruppi di ricerca nel magnetismo molecolare ed in campi affini. Un piccolo esempio: il Deutsche Forschingsgemeinschaft, l’equivalente tedesco del CNR, ha finanziato una mia ricerca negli ultimi sei anni; dei cinque borsisti post-doc che hanno lavorato con me quattro hanno già in Francia un posto permenente nella ricerca. Purtroppo i giovani collaboratori che restano in Italia hanno vita molto più difficile.
Se invece si vuole considerare una scala più ampia, credo che sia significativo il successo che questo campo di ricerca ha avuto nell’attrarre finanziamenti comunitari sia nel quinto che nel sesto programma quadro. Proprio in questi giorni il Network di Eccellenza Magmanet ha dato vita all’European Institut of Molecular Magnetism, un’entità ancora virtuale che coordina l’attività di ricerca di una ventina di laboratori Europei. Passando alla scala mondiale, la quantificazione dei ricercatori coinvolti è ancora più difficile ma sicuramente si può parlare di centinaia di ricercatori, visto che il numero di pubblicazioni sulla tematica di cui il laboratorio fiorentino è stato un pionere è dell’ordine del migliaio.

Qual è stato l’aspetto più particolare di questa scoperta?
In realtà gli aspetti particolari sono due. Il primo è che una molecola sia in grado di conservare memoria del campo magnetico in cui è stata posta per tempi molto lunghi, dell’ordine degli anni esattamente come gli hard disk attuali, anche se per adesso solo a bassa temperatura, purtroppo. Il secondo riguarda la chiarezza, addirittura direi l’eleganza, con cui molti fenomeni predetti dalla meccanica quantistica possano rivelarsi nell’isteresi magnetica, cioè in una proprietà classica per eccellenza.

C’è stato qualcosa che vi ha colpito e che non vi aspettavate?
Sicuramente, all’inizio, vedere che un cluster composto all’interno da dodici ioni Manganese, che chiamiamo Mn12 per brevità e che è l’archetipo di questi materiali, violava le “regole” di comportamento descritte nei manuali di magnetismo: questo ci spinse a verificare e riverificare le nostre misure. Un innovativo, ed unico all’epoca, spettrometro di risonanza paramagnetica elettronica (EPR) ad alto campo magnetico, realizzato a Grenoble nel Laboratorio di Campi Intensi, e la fruttuosa collaborazione con la Dott.sa Anne Laure Barra ci vennero in aiuto, confermando la validità della nostra osservazione.

Si parla di applicazioni finora impensate, può farci qualche esempio pratico?
E’ bene precisare che si tratta di ricerca fondamentale. Non è facile prevedere quando si possano avere ricadute applicative di una ricerca fondamentale. Talvolta queste sono molto rapide, come nel caso della magnetoresistenza gigante nei sistemi multistrato nanometrici che hanno valso a Gruenberg e Fert il premio Nobel per la Fisica lo scorso anno, ma che già troviamo nelle testine di lettura dei disci rigidi dei nostri computer. Sicuramente gli studi sui nanomagneti molecolari ci hanno aiutato a capire quale comportamento avranno le memorie magnetiche se verranno ridotte di dimensioni fino alla scala nanometrica o sub-nanometrica. In linea di principio immagazzinare l’informazione in una sola molecola incrementa notevolmente la densità di informazione del mezzo magnetico. Ci sono però ancora tanti problemi da superare: il primo è quello della temperatura, ancora troppo bassa, a cui il fenomeno della memoria è osservato. Il secondo è come leggere la memoria contenuta in un oggetto di dimensioni così piccole. E’ però incoraggiante che le tecniche a scansione di sonda, come i microscopi a scansione ad effetto tunnel (STM) stiano avendo un rapido sviluppo, con strumenti sempre più nuovi e più specifici ed anche una rapida diffusione.
Un altro aspetto interessante dei nanomagneti molecolari è sicuramente la possibilità di essere utilizzati in computer quantistici. I computer classici usano bit binari ed elaborano i dati sotto forma di ´zero´ e ´uno´. Un computer quantistico, invece, utilizzerebbe lo spin come un bit quantico, o qubit, che può immagazzinare una mole di informazioni nettamente superiore e quindi offrire la possibilità di risolvere problemi oggi troppo complessi per i computer disponibili.

Quali saranno le possibili applicazioni nella vita di tutti i giorni?
Sicuramente il campo delle telecomunicazioni e dell’informatica sono quelli in cui vedo maggiori applicazioni, ma i materiali magnetici sono molto presenti nella vita quotidiana. Altri campi in cui sono attualmente impiegate le “sorelle grandi” dei nanomagneti molecolari, ovvero le nanoparticelle magnetiche, vanno dalla tribologia alla diagnosi e terapia dei tumori.

Quali saranno i passaggi successivi della sua ricerca?
Le due grandi sfide che ci aspettano sono innalzare la temperatura di funzionamento di questi materiali e riuscire a “dialogare” con un solo nanomagnete molecolare. Il nostro approccio resta chimico, quindi cerchiamo di sondare altri centri metallici, le terre rare per esempio, o altre strutture. Per quanto concerne la manipolazione e lettura della magnetizzazaione di un solo nanomagnete la strada è ancora molto lunga. Siamo dovuti tornare sui “banchi di scuola” ed acquisire nuove competenze che ci permettessero di studiare questi oggetti non come cristalli ma come film, o piuttosto strati momomolecolari, su superfici. Fortunatamente i nostri giovani collaboratori sono pazienti e ci spiegano molte cose che noi non sappiamo.

Per il suo studio si è parlato di “pietra miliare” della storia della fisica. Come ha accolto il riconoscimento fatto dalla prestigiosa rivista Nature?
Sicuramente un bel po’ di imbarazzo a leggere i nomi associati alle altre pietre miliari: Zeeman, Stern, Gerlach, Dirac, per citare solo i più famosi. Ovviamente, però, anche molta soddisfazione, perchè si tratta di una valutazione obbiettiva e autorevole del valore della ricerca non basata su giochi di potere o clientelari. Sono una persona modesta, anche abbastanza schiva e per niente mondana. Una cosa che mi ha immediatamente affascinato della ricerca scientifica è proprio il fatto di essere valutati per la produzione scientifica, spesso soltanto attraverso i nostri scritti. Probabilmente l’autore di Nature non ha la minima idea di quale sia il mio aspetto e questa sorta di anonimato, la negazione del successo mediatico oggi così importante, mi affascina molto.

Come ci si sente ad essere riconosciuti a livello mondiale?
Sinceramente il mio panorama è sempre stato “mondiale” o almeno “europeo”. Non riesco veramente a percepire dei confini, provinciali o nazionali alla mia attività di ricerca, ma questo credo che sia una sensazione piuttosto diffusa in campo scientifico. Ho collaboratori ed ex-studenti sparsi per il mondo, e molti sono degli amici con cui continuiamo a sentirci. In fondo è più facile avere riconoscimenti all’estero che non in casa. Nemo profeta in patria. Non dico niente di nuovo.

Da bambina immaginava di raggiungere un giorno un risultato così significativo?
Se dicessi che ho avuto la vocazione della scienziata fin da piccola mentirei. Sicuramente “Il piccolo chimico” è stato uno dei miei giochi preferiti, ma mi fermavo lì. Credo che non sia utile ritrarre chi fa scienza come una persona eccezionale o, nei casi peggiori, strana. Io non mi sono mai sentita una Scienziata con la “S” maiuscola ma piuttosto un appassionato lavoratore in un settore un po’ particolare. Sicuramente alla scienza ho dedicato e continuo a dedicare tante energie, ma non mi sembra di aver tracurato altri aspetti importanti della mia vita. Compresa una numerosa prole. Vorrei così incoraggiare tante giovani donne che si mettono da parte temendo di non riuscire a conciliare aspetti diversi della propria vita con una attività di ricerca ad alto livello.

Vuole aggiungere qualcosa a quanto abbiamo detto finora? Vuole menzionare/ringraziare qualcuno?
La ricerca ha bisogno di fondi ma anche di supporto organizzativo. Quest’ultimo non si è fatto mai mancare grazie soprattutto al Consorzio Interuniversitario per la Scienza e Tecnologia dei Materiali (INSTM) del quale il laboratorio di Firenze è uno dei fondatori. Vorrei però aggiungere una considerazione molto personale. Ogni tanto mi sento un po’ in colpa con i miei collaboratori perchè i riflettori adesso sono puntati su di me, ma la ricerca è in realtà un vero lavoro di squadra; un po’ come il rugby, lo sport che praticano i miei figli. Quando si avanza lo si fa grazie a tutti quelli che tengono la testa giù e spingono spingono per poi passarmi la palla nel momento buono. Spero di essere riuscita a restituire, in insegnamenti ed in incoraggiamenti, quanto io ho preso da loro.