La interacción de la energía térmica del ambiente con los grados de libertad de movimiento es bien conocida y a menudo se la conoce como movimiento browniano también movimiento térmico. Pero en el caso de las moléculas polares, los grados internos de libertad, en particular la rotaciónestado cuántico - también están influenciados por la radiación térmica. Hasta ahora, la detección del estado rotacional solo era posible destruyendo la molécula. Sin embargo, un grupo de investigación alemán ha demostrado ahora la primera implementación de una técnica de detección de estado no destructiva paraiones moleculares. Piet Schmidt y sus colegas del Instituto QUEST del Physikalisch-Technische Bundesanstalt PTB observaron cambios en el estado rotacional de un ion molecular atrapado e indirectamente enfriado en tiempo real e in situ. Esta técnica permite nuevos métodos de espectroscopía conaplicaciones que van desde química hasta pruebas de física fundamental. Los resultados se publican en la edición actual de Naturaleza .
Hoy en día los átomos pueden manipularse con láser y sus características espectrales pueden investigarse con alta precisión, por ejemplo, en relojes ópticos. En estos experimentos, la detección de estado juega un papel crucial: la fluorescencia de un átomo bajo iluminación con luz láser revela su estado cuántico interno.Sin embargo, muchos átomos y la mayoría de las moléculas no fluorescen en absoluto, por lo tanto, uno de los procedimientos estándar para la detección de estado en moléculas explotó el hecho de que las moléculas se pueden separar con luz láser de cierta frecuencia, dependiendo de su estado cuántico.permite medir el estado cuántico de la molécula destruyéndola. Por supuesto, este procedimiento de detección solo puede aplicarse una vez por molécula.
El líder del proyecto, Piet Schmidt, tiene una larga experiencia en sistemas en los que la detección de estado es difícil de lograr. Estuvo involucrado en el desarrollo de la 'espectroscopía de lógica cuántica' en el grupo de investigación del premio Nobel David J. Wineland y la extendió con la suyaequipo de investigación para 'espectroscopía de retroceso de fotones'. Todas estas novedosas técnicas de espectroscopía se basan en un principio común: además del ion bajo investigación, uno atrapa un segundo ion de una especie diferente que es controlable y cuya fluorescencia se puede utilizar para la detección de estado.Debido a su repulsión eléctrica, ambas partículas se comportan como si estuvieran conectadas por un resorte fuerte, de modo que su movimiento se sincroniza. Así es como la medición de una partícula puede revelar las propiedades de la otra partícula. Schmidt y sus colegas usan un MgH + molecularión que es el tema de la investigación y un ión Mg + atómico en el que se realizarán las mediciones. Sostienen ambas partículas con campos eléctricos en unn trampa de iones.Luego, los láseres se usan para enfriar el movimiento de las partículas al estado fundamental, donde el movimiento sincrónico casi se detiene.
El nuevo truco demostrado en este experimento se basa en un láser adicional, cuya acción es similar a una pinza óptica. Se puede usar para ejercer fuerzas sobre la molécula ". El láser sacude la molécula solo si la molécula está en una rotación particular"explica Fabian Wolf, físico en el grupo de investigación de Schmidt" Podemos detectar el efecto, que es una excitación del movimiento común de la molécula y el átomo, en el ion atómico usando láseres adicionales. Si el átomo se ilumina, la moléculaestaba en el estado que investigamos. Si permanece oscuro, la molécula estaba en otro estado "
Piet Schmidt destaca dos resultados principales de los hallazgos del equipo: "Debido a la naturaleza no destructiva de nuestra técnica, podríamos observar que la molécula salta de un estado de rotación a otro. Es la primera vez que se observan tales saltos cuánticos.directamente en una molécula aislada. Además, podríamos mejorar la incertidumbre de una frecuencia de transición a un estado excitado electrónicamente ". También señala hacia objetivos futuros:" El siguiente paso es la preparación sistemática de la molécula en ese estado cuántico en lugar de esperarpara que la radiación térmica lo prepare al azar "
Los investigadores confían en que su desarrollo será importante para las comunidades científicas que necesitan métodos precisos para la espectroscopia, por ejemplo, química cuántica, donde se investiga la estructura interna de las moléculas, o astronomía, donde los espectros de las moléculas frías pueden enseñarnos cosas nuevas sobreel origen y las propiedades del universo. Además, la espectroscopía molecular de precisión es importante para la búsqueda de una variación de las constantes fundamentales y hasta ahora las propiedades ocultas de las partículas fundamentales, como el momento dipolar eléctrico del electrón.
Estas pruebas de física fundamental fueron la motivación original de Schmidt para trabajar en la novedosa técnica de detección. "Para que estas aplicaciones sean prácticas, tenemos que llevar la espectroscopia molecular a un nivel similar al de los relojes ópticos actuales basados en átomos", dice Piet Schmidt, cuando se le pregunta por su objetivo a largo plazo, "para este propósito tenemos que mejorar nuestra resolución de medición en órdenes de magnitud, lo que seguramente tomará varios años".
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Materiales proporcionado por Physikalisch-Technische Bundesanstalt PTB . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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