Investigadores de la Universidad de Basilea han desarrollado un nuevo método con el que las moléculas aisladas individuales pueden estudiarse 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 parauna gama de nuevas aplicaciones en los campos de la ciencia cuántica, espectroscopía y química, como la revista ciencia 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 los experimentos espectroscópicos típicos, una muestra que contiene una gran cantidad de moléculas se irradia directamente. Las moléculas solo pueden absorber la luza longitudes de onda bien definidas que corresponden a diferencias de energía entre dos de sus estados cuánticos. Esto se conoce como una 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 sobreLa estructura química de las moléculas y sus movimientos, como rotaciones o vibraciones.
Inspirado por métodos cuánticos desarrollados para la manipulación de átomos, el grupo de investigación del Prof. Stefan Willitsch en el Departamento de Química de la Universidad de Basilea ha desarrollado una nueva técnica que permite mediciones espectroscópicas en el nivel de una sola molécula, aquí comoun ejemplo de una molécula de nitrógeno cargada única. 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 aprox. -273 ° C. Para permitir el enfriamiento, un átomo auxiliar aquí un solo calcio cargadoátomo está simultáneamente atrapado y localizado al lado de la molécula. Esta proximidad espacial también es esencial para el estudio espectroscópico posterior de la molécula.
Una sola molécula en una red óptica
Posteriormente, se genera una fuerza en la molécula al enfocar dos rayos láser en 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 resultanteen una vibración de la molécula dentro de la trampa en lugar de su excitación.
La fuerza de la vibración está relacionada con la proximidad a una transición espectroscópica y se transmite al átomo de calcio vecino desde el cual se detecta con alta sensibilidad. De esta manera, la misma información sobre la molécula se puede recuperar como en unexperimento espectroscópico convencional.
Este método, que es un nuevo tipo de espectroscopía 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 realiza indirectamente a través de un vecinoátomo y sin una excitación directa de las transiciones espectroscópicas. Por lo tanto, el estado cuántico de la molécula se deja intacto, de modo que la medición puede repetirse continuamente. Como resultado, el método es mucho más sensible que los métodos espectroscópicos establecidos que se basan enexcitación directa y destrucción de una gran cantidad de moléculas.
Aplicaciones en relojes y bloques de construcción extremadamente precisos para computadoras cuánticas
El profesor Willitsch explica que existe una variedad de aplicaciones prospectivas del nuevo método: "Nuestro tipo de espectroscopía de fuerza permite mediciones extremadamente precisas en moléculas que no son posibles con técnicas espectroscópicas convencionales. Con el nuevo método, uno puede estudiar las propiedades molecularesy reacciones químicas en condiciones muy sensibles y definidas con precisión en el nivel de molécula única. También allana el camino para la investigación de cuestiones muy fundamentales como "¿Las constantes físicas son realmente constantes o varían con el tiempo? Una aplicación más práctica podríasea el desarrollo de un reloj ultrapreciso basado en una sola molécula, o la aplicación de moléculas como bloques de construcción para computadoras cuánticas ".
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Materiales proporcionado por Universidad de Basilea . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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