Un team internazionale composto da ricercatori di IBM, The University of Manchester, Oxford University, ETH Zurich, EPFL e University of Regensburg ha creato e caratterizzato una molecola completamente nuova, nella quale gli elettroni si muovono seguendo un percorso elicoidale che ne modifica radicalmente il comportamento chimico. Il risultato, pubblicato oggi su Science, rappresenta la prima osservazione di una topologia elettronica half-Möbius in una singola molecola. Una configurazione questa mai sintetizzata, osservata o formalmente prevista prima d’ora. Comprendere le proprietà elettroniche di questa molecola ha richiesto un approccio altrettanto innovativo: una simulazione di calcolo quantistico ad alta fedeltà.
La scoperta segna un progresso su due fronti. Per la chimica, perché dimostra che la topologia elettronica — la proprietà che governa il movimento degli elettroni in una molecola — può essere progettata e non soltanto osservata in natura. Segna inoltre una pietra miliare per i workload di quantum-centric supercomputing perché rende possibile superare i limiti dei sistemi classici: una rappresentazione diretta del comportamento quantomeccanico a livello molecolare.
“Abbiamo progettato una molecola teoricamente realizzabile, l’abbiamo costruita e poi ne abbiamo validato il comportamento utilizzando un computer quantistico” ha dichiarato 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.”
Una molecola senza precedenti
La molecola, con formula C₁₃Cl₂, è stata assemblata atomo per atomo nei laboratori IBM a partire da un precursore sviluppato all’Università di Oxford. La costruzione è avvenuta rimuovendo singoli atomi attraverso impulsi di tensione calibrati con precisione, in condizioni di ultra-alto vuoto e temperature prossime allo zero assoluto.
Le analisi condotte mediante microscopia a effetto tunnel e microscopia a forza atomica — tecniche di cui IBM è stata pioniera — combinate con simulazioni quantistiche, hanno rivelato una configurazione elettronica inedita: una struttura che ruota di 90 gradi per ogni ciclo e che richiede quattro rotazioni complete per ritornare alla fase iniziale.
A sinistra, un’immagine di microscopia a scansione della nuova densità orbitale elettronica della molecola half-Möbius; a destra, un’immagine STM simulata della densità orbitale della molecola, che è stata realizzata utilizzando un computer quantistico IBM
Questa topologia half-Möbius, distinta in modo netto da qualsiasi molecola nota, può inoltre essere regolata in modo reversibile in tre stati: ruotata in senso orario, antiorario o non ruotata. La scoperta apre così la strada alla possibilità di ingegnerizzare la topologia elettronica come nuovo parametro di progettazione chimica.
Uno strumento scientifico rivoluzionario: il quantum-centric supercomputing
La comprensione del comportamento elettronico della molecola C₁₃Cl₂ ha messo in evidenza i limiti dei sistemi classici: gli elettroni mostrano infatti interazioni altamente entangled, in cui ogni particella influenza simultaneamente tutte le altre. Simulare accuratamente un tale sistema richiede una potenza computazionale che cresce in modo esponenziale, superando le capacità dei calcolatori tradizionali.
I computer quantistici, operando secondo le stesse leggi quantomeccaniche che governano gli elettroni, permettono invece una rappresentazione diretta di questi sistemi. Parlano infatti lo stesso linguaggio fondamentale della materia che sono progettati per studiare. Una caratteristica che, da ipotesi teorica, si sta rapidamente trasformando in uno strumento capace di generare risultati concreti. Questa evoluzione apre nuove prospettive ai workload del quantum-centric supercomputing che possono così supportare in modo più efficace la sperimentazione nel mondo reale. Grazie all’integrazione di quantum processing unit (QPU), CPU e GPU, il quantum-centric supercomputing permette di scomporre problemi complessi e assegnare ciascuna parte all’architettura più adatta, orchestrando l’intero processo in maniera ottimale. Il risultato è la possibilità di ottenere ciò che nessun paradigma di calcolo, da solo, sarebbe in grado di raggiungere.
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.
Questa scoperta si inserisce nella lunga tradizione di IBM nella ricerca su scala atomica. Dall’invenzione del microscopio a effetto tunnel nel 1981 per il quale i ricercatori IBM Gerard Binning e Heinrich Rohrer hanno ricevuto il premio Nobel nel 1986, che ha permesso di osservare le superfici atomo per atomo, fino allo sviluppo, nel 1989, della prima tecnica affidabile per manipolare singoli atomi. Negli ultimi decenni IBM ha esteso queste tecniche per costruire e controllare strutture molecolari sempre più complesse.