Los físicos del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología NIST han resuelto el enigma aparentemente difícil de manejar de cómo controlar las propiedades cuánticas de moléculas cargadas individuales o iones moleculares. La solución es utilizar el mismo tipo de "lógica cuántica" que impulsa unreloj atómico experimental NIST.
La nueva técnica logra un objetivo difícil de alcanzar, controlando las moléculas con la misma eficacia que el enfriamiento por láser y otras técnicas pueden controlar los átomos. El control cuántico de los átomos ha revolucionado la física atómica, lo que lleva a aplicaciones como los relojes atómicos. Pero el enfriamiento por láser y el control de las moléculas es extremadamentedesafiante porque son mucho más complejos que los átomos.
La técnica NIST todavía utiliza un láser, pero solo para sondear suavemente la molécula; su estado cuántico se detecta indirectamente. Este tipo de control de iones moleculares, varios átomos unidos y que llevan una carga eléctrica, podría conducir a una mayor complejidadarquitecturas para el procesamiento de información cuántica, amplificar señales en la investigación física básica, como medir la "redondez" de la forma del electrón, y aumentar el control de las reacciones químicas.
La investigación se describe en la edición del 11 de mayo de Naturaleza y se realizó en el grupo NIST Boulder que demostró el primer enfriamiento con láser de iones atómicos en 1978.
"Desarrollamos métodos que son aplicables a muchos tipos de moléculas", dijo el físico del NIST James Chinwen Chou. "Cualquier truco que puedas jugar con iones atómicos ahora está al alcance de los iones moleculares. Ahora la molécula te" escuchará ":- preguntando, en efecto, '¿Qué quieres que haga?' "
"Esto es comparable a cuando los científicos primero podían enfriar con láser y atrapar átomos, abriendo las compuertas para aplicaciones en metrología de precisión y procesamiento de información. Es nuestro sueño lograr todo esto con moléculas", agregó Chou.
En comparación con los átomos, las moléculas son más difíciles de controlar porque tienen estructuras más complejas que involucran muchos niveles de energía electrónica, vibraciones y rotaciones. Las moléculas pueden consistir en muchos números y combinaciones diferentes de átomos y ser tan grandes como cadenas de ADN de más de un metrolargo.
El método NIST encuentra el estado cuántico electrónico, vibratorio y rotacional del ion molecular al transferir la información a un segundo ion, en este caso un ion atómico, que puede enfriarse con láser y controlarse con técnicas previamente conocidas.Con ideas del reloj de lógica cuántica del NIST, los investigadores intentan manipular el ion molecular y, si tiene éxito, activan un movimiento sincronizado en el par de iones. La manipulación se elige de tal manera que solo pueda activar el movimiento si la molécula está en un ciertoestado. La respuesta "sí" o "no" está indicada por el ion atómico. La técnica es muy suave, indicando los estados cuánticos de la molécula sin destruirlos.
"La molécula solo se sacude si está en el estado correcto. El átomo siente que se agita y puede transferir la agitación a una señal luminosa que podemos captar", dijo el autor principal Dietrich Leibfried. "Esto es como Braille, que permite a las personassentir lo que está escrito en lugar de verlo. Sentimos el estado de la molécula en lugar de verlo y el ion atómico es nuestro dedo microscópico que nos permite hacer eso ".
"Además, el método debería ser aplicable a un gran grupo de moléculas sin cambiar la configuración. Esto es parte de la misión básica del NIST, desarrollar herramientas de medición de precisión que tal vez otras personas puedan usar en su trabajo", agregó Leibfried.
Para realizar el experimento, los investigadores del NIST buscaron equipos antiguos pero aún funcionales, incluida una trampa de iones utilizada en un experimento de teletransportación cuántica de 2004. También tomaron prestada luz láser de un experimento de reloj de lógica cuántica en curso en el mismo laboratorio.
Los investigadores atraparon dos iones de calcio a solo unas pocas millonésimas de metro en una cámara de alto vacío a temperatura ambiente. Se filtró gas hidrógeno en la cámara de vacío hasta que un ion de calcio reaccionó para formar un ion molecular de hidruro de calcio CaH +de un ion de calcio y un átomo de hidrógeno unidos.
Al igual que un par de péndulos que están acoplados por un resorte, los dos iones pueden desarrollar un movimiento compartido debido a su proximidad física y la interacción repulsiva de sus cargas eléctricas. Los investigadores utilizaron un láser para enfriar el ión atómico, y por lo tanto también enfriarla molécula al estado de energía más baja. A temperatura ambiente, el ion molecular también se encuentra en su estado electrónico y vibratorio más bajo, pero permanece en una mezcla de estados rotacionales.
Luego, los investigadores aplicaron pulsos de luz láser infrarroja, sintonizados para evitar cambios en los estados electrónicos o vibratorios de los iones, para impulsar una transición única entre dos de más de 100 posibles estados rotacionales de la molécula. Si ocurriera esta transición,se añadió una cantidad cuántica de energía al movimiento compartido de los dos iones. Luego, los investigadores aplicaron un pulso láser adicional para convertir el cambio en el movimiento compartido en un cambio en el nivel de energía interna del ion atómico. El ion atómico luego comenzó a dispersar la luz, señalando queel estado del ion molecular había cambiado y estaba en el estado objetivo deseado.
Posteriormente, los investigadores pueden transferir el momento angular de la luz emitida y absorbida durante las transiciones inducidas por láser para, por ejemplo, orientar el estado de rotación de la molécula en la dirección deseada.
Las nuevas técnicas tienen una amplia gama de aplicaciones posibles. Otros científicos del NIST en JILA utilizaron previamente láseres para manipular nubes de moléculas cargadas específicas de ciertas maneras, pero la nueva técnica del NIST podría usarse para controlar muchos tipos diferentes de iones moleculares más grandes enmás formas, dijo Chou.
Chou dijo que los iones moleculares ofrecen más opciones que los iones atómicos para almacenar y convertir información cuántica. Por ejemplo, podrían ofrecer más versatilidad para distribuir información cuántica a diferentes tipos de hardware, como componentes superconductores.
El método también podría usarse para responder preguntas de física profunda como si las "constantes" fundamentales de la naturaleza cambian con el tiempo. El ión molecular del hidruro de calcio ha sido identificado como un candidato para responder a estas preguntas. Además, para las mediciones del electrónmomento dipolar eléctrico una cantidad que indica la redondez de la distribución de carga de partículas, la capacidad de controlar con precisión todos los aspectos de cientos de iones al mismo tiempo aumentaría la fuerza de la señal que los científicos quieren medir, dijo Chou.
El trabajo fue apoyado por la Oficina de Investigación del Ejército de EE. UU.
Documento: CW Chou, C. Kurz, DB Hume, PN Plessow, DR Leibrandt y D. Leibfried. 2017. Preparación y manipulación coherente de estados cuánticos puros de un solo ion molecular. Naturaleza . 11 de mayo
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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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