Físicos de la Universidad de Ratisbona han encontrado una manera de manipular el estado cuántico de electrones individuales utilizando un microscopio con resolución atómica. Los resultados del estudio se han publicado ahora en la revista Nature. .
Nosotros, y todo lo que nos rodea, estamos compuestos de moléculas. Las moléculas son tan pequeñas que incluso una mota de polvo contiene innumerables cantidades de ellas. Ahora es posible obtener imágenes precisas de dichas moléculas con un microscopio de fuerza atómica, que funciona de manera muy diferente a un microscopio óptico:se basa en detectar fuerzas diminutas entre una punta y la molécula bajo estudio.
Con este tipo de microscopio, incluso se pueden obtener imágenes de la estructura interna de una molécula. Aunque se pueda observar la molécula de esta manera, esto no implica conocer todas sus diferentes propiedades. Por ejemplo, ya es muy difícil determinar de qué tipo de átomos se compone la molécula.
Afortunadamente, existen otras herramientas que pueden determinar la composición de las moléculas. Uno de ellos es la resonancia de espín electrónico, que se basa en principios similares a los de un escáner de resonancia magnética en medicina. Sin embargo, en la resonancia de espín electrónico normalmente se necesitan innumerables moléculas para obtener una señal lo suficientemente grande como para ser detectable. Con este enfoque, no se puede acceder a las propiedades de cada molécula, sino sólo a su promedio.
Investigadores de la Universidad de Ratisbona, dirigidos por el Prof. Dr. Jascha Repp del Instituto de Física Experimental y Aplicada de la UR, han integrado la resonancia de espín electrónico en la microscopía de fuerza atómica.
Es importante destacar que la resonancia del espín del electrón se detecta directamente con la punta del microscopio, de modo que la señal proviene únicamente de una molécula individual. De esta manera, pueden caracterizar moléculas individuales una por una. Esto permite determinar de qué átomos está compuesta la molécula que acaban de tomar imágenes.
"Podríamos incluso discriminar moléculas que no se diferencian por el tipo de átomos que las componen, sino sólo por sus isótopos, es decir, por la composición de los núcleos de los átomos", añade Lisanne Sellies, primera autora de este estudio.
"Sin embargo, estamos aún más intrigados por otra posibilidad que implica la resonancia de espín electrónico. Esta técnica se puede utilizar para operar el estado cuántico de espín de los electrones presentes en la molécula", dice el Prof. Dr. Repp.
Las computadoras cuánticas almacenan y procesan información codificada en un estado cuántico. Para realizar un cálculo, se requieren computadoras cuánticas que manipulen un estado cuántico sin perder la información por la llamada decoherencia. Los investigadores de Ratisbona demostraron que con su nueva técnica podían operar el estado cuántico del espín en una sola molécula muchas veces antes de que el estado se descoheriera.
Dado que la técnica de microscopía permite obtener imágenes de la vecindad individual de la molécula, la técnica recientemente desarrollada podría ayudar a comprender cómo la decoherencia en una computadora cuántica depende del entorno a escala atómica y, eventualmente, cómo evitarla.
Más información: Lisanne Sellies, Raffael Spachtholz, Sonja Bleher, Jakob Eckrich, Philipp Scheuerer, Jascha Repp, Resonancia de espín electrónico de una sola molécula mediante microscopía de fuerza atómica, Naturaleza (2023). DOI:10.1038/s41586-023-06754-6
Información de la revista: Naturaleza
Proporcionado por la Universidad de Ratisbona
