Ecos sonidos que se repiten o reverberan como resultado de ondas reflejadas hacia el oyente, ocurren en varios sistemas físicos. En la investigación de la física, Los ecos se utilizan normalmente para eliminar los efectos del desfase provocados por las interacciones de un sistema con el medio ambiente. así como para desvelar las propiedades inherentes de ciertos objetos.

Investigadores del Instituto de Ciencia Weizmann y la Universidad Normal del Este de China (ECNU) han observado experimentalmente ecos de paquetes de ondas cuánticas en un solo, molécula aislada. Sus hallazgos, publicado recientemente en Física de la naturaleza , podría introducir nuevas herramientas para sondear procesos intramoleculares ultrarrápidos en moléculas.

"Este trabajo surgió como resultado de una discusión que tuvimos con nuestros colegas chinos en 2017, durante FRISNO, un taller sobre óptica no lineal organizado por el Instituto Weizmann en un pintoresco Kibbutz Ein Gedi, justo al lado del Mar Muerto, "Profesor Ilya Averbukh, uno de los investigadores que realizó el estudio, dijo Phys.org. "Previamente, Tuvimos una colaboración exitosa y continua con el grupo de Shanghai, así como con un equipo francés de la Universidad de Borgoña, Dijon, centrándose en los ecos en la rotación molecular ".

El análisis teórico realizado inicialmente por Averbukh y sus colegas sugirió que los ecos rotacionales observados en gases moleculares deberían tener sus contrapartes en la dinámica vibracional molecular, una predicción que luego fue confirmada por sus experimentos. Una vez que comenzaron a realizar experimentos, sin embargo, los investigadores se dieron cuenta de que el sistema de medición utilizado en ECNU también permite la observación del llamado 'efecto eco' en gases extremadamente enrarecidos, y potencialmente incluso en una sola molécula.

El aparato utilizado por los investigadores de la institución china es, De hecho, capaz de detectar señales de moléculas individuales, uno a la vez. Cuando se dieron cuenta de esto, el equipo se propuso investigar los ecos de paquetes de ondas cuánticas en una molécula individual. Las moléculas utilizadas en su experimento eran vibratoriamente frías, por lo tanto, la interacción de todas las moléculas con los campos láser comenzó desde el mismo estado inicial y se rige por las reglas de la mecánica cuántica.

"Generalmente, los ecos aparecen en conjuntos que contienen muchos giros, átomos o moléculas cuyas propiedades están ligeramente dispersas, ", Dijo Averbukh." En el caso de moléculas individuales, la "incertidumbre" necesaria es introducida por la magia de la mecánica cuántica. Si bien todas las moléculas parten del mismo estado inicial y son excitadas exactamente por los mismos campos láser, su estado después de la excitación no se conoce completamente y las moléculas existen en una 'superposición' de múltiples estados vibracionales cuánticos ".

Los efectos investigados por Averbukh y sus colegas se parecen a los introducidos en un famoso experimento mental de Richard Feynman, que ganó el Premio Nobel de Física en 1965. En este 'experimento gedanken', Feynman consideró enviar electrones uno por uno a través de dos rendijas poco espaciadas, y recoger la señal de una pantalla detrás de estas ranuras. Si no se introducen medidas adicionales, las leyes de la mecánica cuántica impiden que los investigadores sepan por qué rendija pasó cada electrón individual. Como resultado, mientras que los electrones individuales se dispersan aleatoriamente por la pantalla, cuando el experimento se repite muchas veces, el individuo hace clic en la pantalla para formar un patrón de interferencia causado por esta "incertidumbre cuántica".

"En nuestro caso, La interferencia cuántica ocurre dentro de cada molécula individual y se manifiesta en el dominio del tiempo en lugar de en el espacio regular. "Averbukh explicó." En cierto sentido, nuestro trabajo presenta una versión intramolecular resuelta en el tiempo del experimento mental de Feynman ".

En los experimentos llevados a cabo por Averbukh y sus colegas, La dinámica espacio-temporal de los ecos de paquetes de ondas cuánticas en una sola molécula aislada se visualizaron con resoluciones de femtosegundo y Angstrom. Para hacer esto, los investigadores utilizaron una técnica de detección de coincidencias ideada por el equipo de ECNU en una cámara de vacío ultra alto.

"Las moléculas interactúan con los pulsos láser de una en una y se miden individualmente, "Profesor Jian Wu, quien dirigió el equipo que realizó los experimentos en ECNU, dijo Phys.org. "Similar a los experimentos de interferencia de 'partícula única', p.ej., electrones individuales o fotones individuales que pasan a través de una doble rendija, aquí, la medición se repite muchas veces hasta que la distribución de probabilidad de los ecos de una sola molécula se visualiza claramente en el espacio y el tiempo ".

Al excitar impulsivamente ondas vibratorias en la molécula, los investigadores pudieron observar sus oscilaciones y dispersión a lo largo del tiempo. Esto les permitió identificar dos mecanismos clave detrás de la formación de ecos en las moléculas, a saber, una fuerte sacudida de potencial molecular inducida y la creación de un "agujero" inducido por el agotamiento en la distribución del espacio nuclear.

La observación de un eco de una sola molécula es un resultado inusual. La mayoría de los estudios anteriores se centraron en los ecos que se producen en una distribución no homogénea de moléculas, donde el eco se usó típicamente para eliminar las variaciones individuales entre diferentes moléculas. El equipo detrás del estudio actual, por otra parte, fue capaz de sondear inherentemente las propiedades internas de una sola molécula, recolectando nuevos resultados interesantes.

"Nuestros experimentos con una sola molécula se unen a un pequeño número de experimentos relacionados, como la interferencia de un solo electrón o un solo átomo o un solo fotón (por ejemplo, en un experimento de Young de dos rendijas) y, como tal, proporcionan una perspectiva adicional sobre el elemento fundamental de la dualidad onda-partícula en la mecánica cuántica, "Profesor Yehiam Prior, otro investigador que realizó el estudio, dijo Phys.org.

Hasta aquí, los científicos del Instituto de Ciencias Weizmann y ECNU han realizado sus experimentos con pequeñas moléculas individuales. En el futuro, sin embargo, su procedimiento podría, en principio, utilizarse para investigar ecos en objetos más grandes con muchos grados internos de libertad, permitiendo el estudio de estos grados internos de libertad en moléculas aisladas. Además, sus hallazgos podrían allanar el camino para el desarrollo de herramientas más eficientes para sondear procesos específicos en diferentes moléculas.

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