Investigadores de la Universidad de Basilea han desarrollado un nuevo método con el que se pueden estudiar moléculas individuales aisladas con precisión, sin destruir la molécula o incluso influir en su estado cuántico. Esta técnica altamente sensible para sondear moléculas es ampliamente aplicable y allana el camino para una gama de nuevas aplicaciones en los campos de la ciencia cuántica. espectroscopia y química, como el diario Ciencias informes.

Los análisis espectroscópicos se basan en la interacción de la materia con la luz y representan la herramienta experimental más importante para estudiar las propiedades de las moléculas. En experimentos espectroscópicos típicos, una muestra que contiene un gran número de moléculas se irradia directamente. Las moléculas solo pueden absorber luz en longitudes de onda bien definidas que corresponden a las diferencias de energía entre dos de sus estados cuánticos. Esto se conoce como excitación espectroscópica.

En el curso de estos experimentos, las moléculas se perturban y cambian su estado cuántico. En muchos casos, las moléculas incluso tienen que ser destruidas para detectar las excitaciones espectroscópicas. El análisis de las longitudes de onda y las intensidades de estas excitaciones proporcionan información sobre la estructura química de las moléculas y sus movimientos como rotaciones o vibraciones.

Inspirado en métodos cuánticos desarrollados para la manipulación de átomos, el grupo de investigación del profesor Stefan Willitsch del Departamento de Química de la Universidad de Basilea ha desarrollado una nueva técnica que permite realizar mediciones espectroscópicas a nivel de una sola molécula, aquí como ejemplo un sencillo, molécula de nitrógeno cargada. La nueva técnica no perturba la molécula ni perturba su estado cuántico.

En sus experimentos, la molécula queda atrapada en una trampa de radiofrecuencia y se enfría hasta cerca del punto cero absoluto de la escala de temperatura (aproximadamente -273 ° C). Para habilitar el enfriamiento, un átomo auxiliar (aquí un solo, átomo de calcio cargado) está simultáneamente atrapado y localizado junto a la molécula. Esta proximidad espacial también es esencial para el posterior estudio espectroscópico de la molécula.

Una sola molécula en una red óptica.

Después, se genera una fuerza sobre la molécula al enfocar dos rayos láser sobre las partículas para formar una llamada red óptica. La fuerza de esta fuerza óptica aumenta con la proximidad de la longitud de onda irradiada a una excitación espectroscópica en la molécula que resulta en una vibración de la molécula dentro de la trampa en lugar de su excitación.

Por tanto, la fuerza de la vibración está relacionada con la proximidad a una transición espectroscópica y se transmite al átomo de calcio vecino desde el que se detecta con alta sensibilidad. De este modo, se puede recuperar la misma información sobre la molécula que en un experimento espectroscópico convencional.

Este método, que es un nuevo tipo de espectroscopia de fuerza, introduce varios conceptos nuevos:Primero, se basa en moléculas individuales en lugar de conjuntos grandes. Segundo, representa una técnica completamente no invasiva ya que la detección se logra indirectamente (a través de un átomo vecino) y sin una excitación directa de las transiciones espectroscópicas. Por lo tanto, el estado cuántico de la molécula se deja intacto, para que la medición se pueda repetir de forma continua. Como resultado, el método es mucho más sensible que los métodos espectroscópicos establecidos que se basan en la excitación y destrucción directa de un gran número de moléculas.

Aplicaciones en relojes y bloques de construcción extremadamente precisos para computadoras cuánticas

Existe una gama de posibles aplicaciones del nuevo método, El profesor Willitsch explica:"Nuestro tipo de espectroscopia de fuerza permite mediciones extremadamente precisas en moléculas que no son posibles con las técnicas espectroscópicas convencionales. Con el nuevo método, se pueden estudiar las propiedades moleculares y las reacciones químicas en condiciones muy sensibles y definidas con precisión en el nivel de una sola molécula. También allana el camino para la investigación de cuestiones fundamentales como si las constantes físicas son realmente constantes o varían con el tiempo. Una aplicación más práctica podría ser el desarrollo de un reloj ultrapreciso basado en una sola molécula, o la aplicación de moléculas como bloques de construcción para computadoras cuánticas ".