La microscopía de túnel de barrido (STM) es empleada habitualmente por físicos y químicos para capturar imágenes a escala atómica de moléculas en superficies. Ahora, Un equipo internacional dirigido por Christian Joachim y colaboradores del Instituto A * STAR de Investigación e Ingeniería de Materiales ha llevado STM un paso más allá:usándolo para identificar los estados cuánticos dentro de los compuestos de 'superbenceno' utilizando medidas de conductancia STM. Sus resultados proporcionan una hoja de ruta para desarrollar nuevos tipos de computadoras cuánticas basadas en información localizada dentro de enlaces moleculares.

Para obtener acceso a los estados cuánticos del hexabenzocoroneno (HBC), una molécula aromática plana hecha de anillos de benceno entrelazados, los investigadores la depositaron sobre un sustrato de oro. Según el miembro del equipo We-Hyo Soe, la interacción electrónica débil entre HBC y oro es crucial para medir la "conductancia diferencial" del sistema, una tasa instantánea de carga de corriente con voltaje que puede vincularse directamente a las densidades de electrones dentro de ciertos estados cuánticos.

Después de enfriar a temperaturas cercanas al cero absoluto, el equipo maniobró su punta STM a una ubicación fija sobre el objetivo HBC. Luego, buscaron señales de resonancia de conductancia diferencial a voltajes particulares. Después de detectar estos voltajes, trazaron un mapa de la densidad de electrones alrededor de todo el marco de HBC utilizando STM. Esta técnica proporcionó imágenes en el espacio real de los orbitales moleculares del compuesto, estados cuantificados que controlan los enlaces químicos.

Cuando Joachim y sus colaboradores intentaron mapear una molécula que contenía dos unidades HBC, un dímero, notaron algo desconcertante. Detectaron dos estados cuánticos a partir de mediciones STM tomadas cerca del medio del dímero, pero solo un estado cuando movieron la punta del STM al borde del dímero (ver imagen). Para entender por qué los investigadores colaboraron con teóricos que utilizaron cálculos de mecánica cuántica de alto nivel para identificar qué orbitales moleculares reproducían mejor los mapas experimentales.

La teoría tradicional sugiere que las señales de conductancia diferencial STM se pueden asignar a orbitales moleculares únicos. Los cálculos de los investigadores, sin embargo, muestran que esta visión es defectuosa. En lugar de, encontraron que los estados cuánticos observados contenían mezclas de varios orbitales moleculares, con la proporción exacta que depende de la posición de la punta STM ultrafilada.

Soe señala que estos hallazgos podrían tener un gran impacto en el campo de la computación cuántica. "Cada resonancia medida corresponde a un estado cuántico del sistema, y se puede utilizar para transferir información mediante un simple cambio de energía. Esta operación también podría cumplir algunas funciones lógicas ". agrega que avanzado, Se necesitarán teorías de muchos cuerpos para identificar la composición exacta y la naturaleza de los orbitales moleculares debido al efecto de punta dependiente de la ubicación.