Endofullerene d'azoto N@C60 come componente molecolare per computer quantistici.

Il progetto sviluppato durante il triennio di Tesi ha riguardato lo studio di strutture molecolari paramagnetiche per applicazioni nella Quantum Information Processing (QIP), un ambito di ricerca molto attivo nell'ultimo ventennio, il cui obiettivo è la realizzazione di dispositivi per l'elaborazione delle informazioni utilizzando i principi della meccanica quantistica. In particolare, questo lavoro ha avuto come obiettivo lo studio delle potenzialità dell'endofullerene d'azoto (una molecola di C60 all'interno della quale è presente un atomo di azoto) e del suo spin elettronico come unità  base per l'informazione quantistica (qubit). Normalmente, l'endofullerene d'azoto (N@C60) viene prodotto per impiantazione ionica. Questa modalità  di produzione non fornisce l'endofullerene in forma pura, ma come una miscela di N@C60/C60 non superiore a 1/10000. Per ottenere un materiale arricchito in N@C60 è necessario procedere con dispendiose procedure di purificazione via HPLC. Per mettere a punto un metodo di arricchimento più conveniente rispetto ai sistemi HPLC standard, è stata avviata una collaborazione con il gruppo del Prof. F. Gasparrini dell'Università  "La Sapienza" di Roma, finalizzata allo sviluppo di una nuova tecnica cromatografica di purificazione che utilizza un'apparecchiatura magneto-cromatografica. L'endofullerene d'azoto è una molecola paramagnetica poiché l'atomo di azoto centrale possiede lo stato elettronico fondamentale di quartetto (S=3/2). La tecnica più adatta per lo studio di questo tipo di sistema è dunque la Spettroscopia di Risonanza Elettronica (EPR). La caratteristica notevole di N@C60 è la sua larghezza di riga EPR estremamente ridotta a causa dei lunghi tempi di rilassamento di spin elettronico (alcune decine o centinaia di microsecondi a temperatura ambiente) rispetto a molecole paramagnetiche ordinarie, per le quali i tempi di rilassamento possono variare da nanosecondi a qualche microsecondo. Questa proprietà  è quella che rende N@C60 particolarmente interessante per la costruzione di dispositivi adatti alla QIP. Nel caso degli spin elettronici il tempo di rilassamento di spin corrisponde al tempo di coerenza, e tempi di coerenza sufficientemente lunghi sono una condizione necessaria perché un sistema quantistico sia utile come qubit. Questo requisito deriva dalla necessità  che il tempo di mantenimento della coerenza degli stati quantistici sia più lungo di quello richiesto per eseguire il numero di operazioni logiche che compongono un dato algoritmo. In letteratura sono apparsi negli ultimi anni alcuni studi sulle proprietà  di N@C60 in soluzione che hanno permesso di elucidare alcuni aspetti dei meccanismi di rilassamento di spin elettronico. In generale, tuttavia, è preferibile poter disporre di materiali in stato solido, sia per realizzare dispositivi in grado di effettuare calcoli quantistici, sia per facilitare un'eventuale integrazione con le tecnologie odierne. E' quindi fondamentale approfondire la conoscenza dei meccanismi di rilassamento anche allo stato solido. In questo lavoro sono state studiate le proprietà  di rilassamento di spin elettronico di una serie di derivati di N@C60 (contenuto in una miscela non purificata di N@C60/C60) al fine di identificare i principali processi che causano la decoerenza di spin allo stato solido e valutare l'idoneità  di N@C60 come possibile qubit in matrice solida. A tale scopo sono state prodotte strutture molecolari nelle quali N@C60 è soggetto a diverse modificazioni chimiche o interazioni con l'ambiente circostante. Nonostante i molteplici processi che concorrono a far diminuire il tempo di coerenza di N@C60 nei derivati, i valori dei tempi di rilassamento misurati in questo lavoro di tesi hanno dimostrato come N@C60 sia potenzialmente applicabile in sistemi allo stato solido adatti all'implementazione di algoritmi quantistici. I derivati studiati in questo lavoro sono stati scelti proprio perché offrono la possibilità di essere impiegati per realizzare sistemi ordinati di endofullerene su matrici solide, come ad esempio superfici di silicio. Una parte significativa di questo lavoro di tesi ha riguardato perciò lo studio dell'immobilizzazione del C60 su di una superficie di silicio, attraverso la formazione di complessi host-guest con un derivato del calix[8]arene preventivamente legato alla stessa superficie. L'obiettivo a lunga scadenza di tale studio è la formazione di strati di N@C60 nelle medesime condizioni messe a punto per il C60, una volta che l'endofullerene d'azoto sia disponibile in forma pura o perlomeno sotto forma di una miscela più arricchita rispetto a quella attualmente disponibile. E' stata studiata quindi la possibilità di immobilizzare un derivato del calix[8]arene recante terminazioni alcheniliche su superficie di silicio attraverso la reazione di idrosililazione termica dei doppi legami. In particolare, sono stati ottenuti dei monolayer in cui il calixarene è stato immobilizzato in forma pura oppure diluito con 1-ottene. E' stata impiegata la spettroscopia fotoelettronica a raggi X (XPS) come metodo principale per la caratterizzazione della superficie, mentre l'immobilizzazione non covalente del C60 su silicio è stata confermata attraverso l'uso della microscopia a forza atomica (AFM). La superficie di calixarene puro è risultata essere costituita da un layer non ben impaccato di molecole calixareniche e dalla presenza di una certa quantità di ossido. Questa situazione morfologica favorisce la formazione di cluster fullerenici in superficie. Dall'altro lato, il monolayer ottenuto dalla miscela calixarene/1-ottene presenta un elevato grado di impaccamento che previene sia la formazione di ossido in superficie sia la formazione di cluster fullerenici, rendendo quindi possibile la realizzazione del complesso di inclusione 60/calix[8]arene su silicio. La bassa quantità  di endofullerene nella miscela N@C60/C60 non ha permesso però la registrazione di spettri EPR con la strumentazione in nostro possesso, per cui una parte del progetto di dottorato ha riguardato lo studio EPR di un sistema modello in cui un radicale organico è stato immobilizzato su superficie di silicio, anche di tipo poroso, al fine di trovare le condizioni ottimali per registrare spettri significativi. Lo studio è stato realizzato impiegando strati di radicali nitrossilici ancorati su superfici di silicio tramite una reazione di idrosililazione termica. Attraverso l'uso di tecniche IR, XPS e di risonanza paramagnetica elettronica è stato possibile determinare il grado di ricopertura della superficie di silicio. Questo sistema allo stato solido ha permesso non solo di validare il metodo di caratterizzazione EPR per studiare superfici silicee contenenti layer di molecole paramagnetiche, ma anche di ottenere informazioni sulla dinamica dei nitrossidi legati alla superficie stessa. Durante la tesi si è inoltre conclusa una ricerca che ha riguardato la sintesi di derivati nitrossilici del fullerene C70.