Los investigadores de JILA han medido cientos de niveles de energía cuántica individuales en el buckyball, una jaula esférica de 60 átomos de carbono. Es la molécula más grande que se haya analizado a este nivel de detalle experimental en la historia de la mecánica cuántica. Entendiendo y controlando completamenteLos detalles cuánticos de esta molécula podrían conducir a nuevos campos y aplicaciones científicas, como una computadora cuántica completa contenida en una sola bola de bucky.
La bola de bucky, formalmente conocida como buckminsterfullereno, es extremadamente compleja. Debido a su enorme tamaño de 60 átomos, la molécula general tiene un número asombrosamente alto de formas de vibrar, al menos 100,000,000,000,000,000,000,000,000 de estados cuánticos vibratorios cuando la molécula está caliente.Además de los muchos estados de energía diferentes para la rotación del buckyball y otras propiedades.
Como se describe en la edición del 4 de enero de ciencia , el equipo de JILA usó una versión actualizada de su espectroscopía de peine de frecuencia y sistema de enfriamiento de gas tampón criogénico para observar transiciones de energía aisladas e individuales entre estados de rotación y vibración en bolas de bucky gaseosas frías. Esta es la primera vez que alguien puede prepararsebuckyballs en esta forma para analizar sus rotaciones y vibraciones a nivel cuántico.
JILA es operado conjuntamente por el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología NIST y la Universidad de Colorado Boulder.
Buckyballs, descubierto por primera vez en 1984, ha creado una gran emoción científica. Pero la espectroscopía de alta resolución, que puede revelar los detalles de las propiedades de rotación y vibración de la molécula, no funcionó a temperaturas ambiente normales porque las señales estaban demasiado congestionadas, NIST/ El miembro de JILA, Jun Ye, dijo que las bajas temperaturas aproximadamente -138 grados Celsius, que son -216 grados Fahrenheit permitieron a los investigadores concentrar las moléculas en un solo estado cuántico rotacional-vibratorio al nivel de energía más bajo y sondearlas con espectroscopía de alta resolución.
El buckyball es la molécula más simétrica conocida, con una forma similar a una pelota de fútbol conocida como icosaedro modificado. Es lo suficientemente pequeña como para ser completamente comprendida con los principios básicos de la mecánica cuántica. Sin embargo, es lo suficientemente grande como para revelar ideas sobre el extremocomplejidad cuántica que emerge en grandes sistemas.
Como ejemplo de aplicaciones prácticas, las buckyballs podrían actuar como una red prístina de 60 átomos. El núcleo de cada átomo posee una propiedad idéntica conocida como "espín nuclear", que le permite interactuar magnéticamente con su entorno. Por lo tanto, cada espínpodría actuar como un bit cuántico controlado magnéticamente o "qubit" en una computadora cuántica.
"Si tuviéramos una bola de buckyball hecha de carbono 13 isotópico puro, cada átomo tendría un giro nuclear de 1/2, y cada bola de bucky podría servir como una computadora cuántica de 60 qubits", dijo Ye. "Por supuesto, nosotrostodavía no tenemos tales capacidades; primero tendríamos que capturar estas bolas de bucky en trampas "
Una parte clave de la nueva revolución cuántica, una computadora cuántica que utiliza qubits hechos de átomos u otros materiales podría resolver problemas importantes que no se pueden resolver con las máquinas actuales. El NIST tiene una participación importante en la ciencia cuántica.
"También hay muchas conexiones astrofísicas", continuó Ye. "Hay abundantes señales de buckyball que provienen de estrellas remotas de carbono", por lo que los nuevos datos permitirán a los científicos comprender mejor el universo.
Después de medir los niveles de energía cuántica, los investigadores de JILA recopilaron estadísticas sobre los valores de espín nuclear de las buckyballs. Confirmaron que los 60 átomos eran indistinguibles o prácticamente idénticos. Las mediciones precisas de las energías de transición de la buckyball entre estados cuánticos individuales revelaron que sus átomos interactuabanfuertemente uno con el otro, proporcionando información sobre las complejidades de su estructura molecular y las fuerzas entre los átomos.
Para los experimentos, un horno convirtió una muestra sólida de material en buckyballs gaseosas. Estas moléculas calientes fluyeron hacia una celda contenedor anclada a un aparato frío criogénico, de modo que las moléculas se enfriaron por colisiones con átomos de gas argón frío. LuegoLa luz láser a frecuencias precisas apuntaba a las moléculas de gas frío, y los investigadores midieron la cantidad de luz absorbida. La estructura observada en el espectro infrarrojo codificaba detalles de la estructura de nivel de energía mecánica mecánica cuántica.
La luz láser fue producida por un peine de frecuencia óptica, o "regla de luz", y dirigida a una cavidad óptica que rodea la celda fría para mejorar las señales de absorción. El peine contenía aproximadamente 1000 "dientes" a frecuencias ópticas que abarcaban todo elbanda de vibraciones buckyball. La luz del peine se generó a partir de un solo láser de fibra.
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Materiales proporcionados por Instituto Nacional de Estándares y Tecnología NIST . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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