Una nueva técnica para detectar colisiones entre pares de átomos e iones únicos

Crédito:Katz et al.

La química cuántica es la rama de la química que explora las aplicaciones de la mecánica cuántica a los sistemas químicos. Los estudios en este campo pueden ayudar a comprender mejor el comportamiento de pares o grupos de átomos en un estado cuántico, así como las reacciones químicas resultantes de sus interacciones.

Muchos estudios de química cuántica exploraron específicamente las interacciones entre pares de átomos en un estado cuántico. Si bien algunos de estos trabajos recopilaron información interesante, a menudo se vieron limitados por la falta de técnicas disponibles para observar y controlar los resultados de las colisiones de átomos individuales.

Los investigadores del Instituto de Ciencias Weizmann han estado tratando de idear herramientas nuevas y más avanzadas para estudiar las interacciones básicas entre un solo par de átomos. En un artículo publicado recientemente en Nature Physics , introdujeron una nueva técnica basada en la lógica cuántica que se puede utilizar para estudiar las interacciones entre un átomo neutro ultrafrío y un ion frío.

"Cuando los átomos se elevan a distancias cortas, pueden experimentar varios procesos, como la liberación de energía o una reacción química, que se rigen por la mecánica cuántica", explica Or Katz, uno de los investigadores que llevó a cabo el estudio, que ahora trabaja en Duke. Universidad, le dijo a Phys.org. "Se pueden usar métodos ideados previamente para estudiar estos procesos, pero requieren acceso óptico y control de al menos uno de los átomos, lo que a su vez limita severamente las especies atómicas, así como el conjunto de interacciones que se pueden estudiar en la práctica. Nuestro trabajo alivia este requisito y nos permite estudiar la interacción entre muchos pares de átomos utilizando un solo átomo adicional, que actúa como sonda".

Esencialmente, los investigadores enfriaron con láser y luego atraparon un par de iones y una nube de átomos neutros. Los iones quedaron atrapados en una trampa Paul, utilizando campos electromagnéticos. Los átomos neutros, por otro lado, estaban atrapados en una red óptica, que podían entrar y salir de la trampa de Paul a voluntad.

"Estudiamos la interacción de un solo 'ión químico' con un átomo neutro midiendo la huella en el segundo 'ión lógico' en la trampa que actúa como sonda", explicó Katz. "Específicamente, cuando el ion químico gana energía por su interacción con un átomo en un proceso exotérmico (liberación de energía), empuja al "ion lógico", que en nuestra configuración experimental, es consecuencia de la fluorescencia de la luz. La detección de esta luz de fluorescencia de el ion lógico revela información sobre el proceso que han experimentado el otro ion y átomo".

El trabajo reciente de Katz y sus colegas abre nuevas posibilidades para el estudio de procesos que antes eran difíciles o imposibles de probar experimentalmente. Por ejemplo, la técnica que introdujeron en su artículo podría usarse para medir nuevos efectos en los que el movimiento de las características del átomo y del ion se caracteriza por la interferencia cuántica. Usando herramientas desarrolladas previamente, estos efectos serían muy difíciles de observar y examinar.

"Ya se ve un indicio de tal efecto en este trabajo, reflejado en la diferencia de secciones transversales que se mide para la interacción de diferentes isótopos de Sr+ con 87Rb, pero la técnica no se limita a este ejemplo y se puede aplicar al estudio efectos cuánticos en muchos otros pares", añadió Katz. "Planeamos aplicar la misma técnica para estudiar procesos adicionales, como el intercambio de espín y las reacciones químicas".

Además de usar su técnica para estudiar otros procesos, Katz y sus colegas planean recopilar más evidencia de los efectos de la interferencia cuántica. Esto les permitirá seguir evaluando el potencial de las herramientas basadas en la mecánica cuántica para el estudio de las interacciones fundamentales entre los átomos. + Explora más