Los físicos del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) han resuelto el rompecabezas aparentemente intratable de cómo controlar las propiedades cuánticas de moléculas cargadas individuales, o iones moleculares. La solución es utilizar el mismo tipo de "lógica cuántica" que impulsa un reloj atómico experimental del NIST.

La nueva técnica logra un objetivo difícil de alcanzar, controlando las moléculas con tanta eficacia como el enfriamiento por láser y otras técnicas pueden controlar los átomos. El control cuántico de los átomos ha revolucionado la física atómica, dando lugar a aplicaciones como relojes atómicos. Pero el enfriamiento por láser y el control de las moléculas es extremadamente desafiante porque son mucho más complejos que los átomos.

La técnica NIST todavía usa un láser, pero solo para sondear suavemente la molécula; su estado cuántico se detecta indirectamente. Este tipo de control de iones moleculares (varios átomos unidos y portadores de una carga eléctrica) podría conducir a arquitecturas más sofisticadas para el procesamiento de información cuántica. amplificar señales en la investigación de física básica, como medir la "redondez" de la forma del electrón, y potenciar el control de las reacciones químicas.

La investigación se describe en la edición del 11 de mayo de Naturaleza y se realizó en el grupo NIST Boulder que demostró el primer enfriamiento láser de iones atómicos en 1978.

"Desarrollamos métodos que son aplicables a muchos tipos de moléculas, "El físico del NIST James ChinwenChou dijo." Cualquier truco que puedas hacer con los iones atómicos está ahora al alcance de los iones moleculares. Ahora la molécula te 'escuchará', preguntando:en efecto, '¿Que quieres que haga?'"

"Esto es comparable a cuando los científicos pudieron enfriar y atrapar átomos por primera vez con láser, abriendo las compuertas a las aplicaciones en metrología de precisión y procesamiento de información. Es nuestro sueño lograr todas estas cosas con moléculas, "Añadió Chou.

Comparado con los átomos, Las moléculas son más difíciles de controlar porque tienen estructuras más complejas que involucran muchos niveles de energía electrónica, vibraciones y rotaciones. Las moléculas pueden constar de muchos números y combinaciones diferentes de átomos y ser tan grandes como cadenas de ADN de más de un metro de largo.

El método NIST encuentra el estado cuántico (electrónico, vibracional y rotacional) del ion molecular transfiriendo la información a un segundo ion, en este caso un ion atómico, que puede enfriarse con láser y controlarse con técnicas previamente conocidas. Tomando ideas prestadas del reloj de lógica cuántica del NIST, Los investigadores intentan manipular el ion molecular y, si tiene éxito, desencadenar un movimiento sincronizado en el par de iones. La manipulación se elige de modo que solo pueda desencadenar el movimiento si la molécula se encuentra en cierto estado. La respuesta "sí" o "no" es señalada por el ion atómico. La técnica es muy suave, indicando los estados cuánticos de la molécula sin destruirlos.

"La molécula solo se mueve si está en el estado correcto. El átomo siente ese movimiento y puede transferir el movimiento a una señal de luz que podamos captar, ", dijo el autor principal Dietrich Leibfried." Esto es como Braille, lo que permite a la gente sentir lo que está escrito en lugar de verlo. Sentimos el estado de la molécula en lugar de verlo y el ion atómico es nuestro dedo microscópico que nos permite hacer eso ".

"Es más, El método debe ser aplicable a un gran grupo de moléculas sin cambiar la configuración. Esto es parte de la misión básica del NIST, Desarrollar herramientas de medición de precisión que tal vez otras personas puedan utilizar en su trabajo. "Añadió Leibfried.

Para realizar el experimento, Los investigadores del NIST recolectaron equipos viejos pero aún funcionales, incluida la trampa de aniones utilizada en un experimento de teletransportación cuántica de 2004. También tomaron prestada luz láser de un experimento de reloj de lógica cuántica en curso en el mismo laboratorio.

Los investigadores atraparon dos iones de calcio con apenas unas millonésimas de metro de distancia en una cámara de alto vacío a temperatura ambiente. Se filtró gas hidrógeno en la cámara de vacío hasta que un ión calcio reaccionó para formar un ión molecular hidruro cálcico (CaH +) compuesto por un ión calcio y un átomo de hidrógeno unidos entre sí.

Como un par de péndulos acoplados por un resorte, los dos iones pueden desarrollar un movimiento compartido debido a su proximidad física y la interacción repulsiva de sus cargas eléctricas. Los investigadores utilizaron un láser para enfriar el ion atómico, enfriando así también la molécula al estado de energía más baja. A temperatura ambiente, el ion molecular también se encuentra en su estado electrónico y vibratorio más bajo, pero permanece en una mezcla de estados rotacionales.

Luego, los investigadores aplicaron pulsos de luz láser infrarroja, sintonizados para evitar cambios en los estados electrónicos o vibracionales de los iones, para impulsar una transición única entre dos de más de 100 posibles estados de rotación de la molécula. Si esta transición ocurrió, se añadió un cuanto de energía al movimiento compartido de los dos iones. Luego, los investigadores aplicaron un pulso láser adicional para convertir el cambio en el movimiento compartido en un cambio en el nivel de energía interna del ion atómico. El ion atómico luego comenzó a dispersar la luz, indicando que el estado del ion molecular había cambiado y estaba en el estado objetivo deseado.

Después, Luego, los investigadores pueden transferir el momento angular de la luz emitida y absorbida durante las transiciones inducidas por láser a, por ejemplo, oriente el estado de rotación de la molécula en la dirección deseada.

Las nuevas técnicas tienen una amplia gama de posibles aplicaciones. Otros científicos del NIST en JILA utilizaron previamente láseres para manipular nubes de moléculas cargadas específicas de ciertas maneras, pero la nueva técnica NIST podría usarse para controlar muchos tipos diferentes de iones moleculares más grandes de más formas, Chousaid.

Los iones moleculares ofrecen más opciones que los iones atómicos para almacenar y convertir información cuántica, Dijo Chou. Por ejemplo, podrían ofrecer más versatilidad para distribuir información cuántica a diferentes tipos de hardware, como componentes superconductores.

El método también podría usarse para responder preguntas de física profunda, como si las "constantes" fundamentales de la naturaleza cambian con el tiempo. El ion molecular hidruro de calcio se ha identificado como un candidato para responder a estas preguntas. Además, para las mediciones del dipolemomento eléctrico del electrón (una cantidad que indica la redondez de la distribución de carga de las partículas), la capacidad de controlar con precisión todos los aspectos de cientos de iones al mismo tiempo aumentaría la fuerza de la señal que los científicos quieren medir, Dijo Chou.