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    A observação experimental de ecos em uma única molécula

    Crédito:Qiang et al.

    Ecos, sons que se repetem ou reverberam como resultado das ondas refletidas de volta para o ouvinte, ocorrem em vários sistemas físicos. Na pesquisa de física, ecos são normalmente usados ​​para eliminar os efeitos da defasagem causada pelas interações de um sistema com o ambiente, bem como para revelar as propriedades inerentes de certos objetos.

    Pesquisadores do Instituto de Ciência Weizmann e da Universidade Normal da China Oriental (ECNU) observaram experimentalmente ecos de pacotes de ondas quânticos em um único, molécula isolada. Suas descobertas, publicado recentemente em Física da Natureza , poderia introduzir novas ferramentas para sondar processos intramoleculares ultra-rápidos em moléculas.

    “Este trabalho surgiu como resultado de uma discussão que tivemos com nossos colegas chineses em 2017, durante FRISNO, um workshop sobre óptica não linear organizado pelo Instituto Weizmann em um kibutz pitoresco Ein Gedi, ao lado do Mar Morto, "Professor Ilya Averbukh, um dos pesquisadores que realizou o estudo, disse a Phys.org. "Anteriormente, tivemos uma colaboração contínua de sucesso com o grupo de Xangai, bem como com uma equipe francesa da Universidade da Borgonha, Dijon, com foco em ecos na rotação molecular. "

    A análise teórica realizada inicialmente por Averbukh e seus colegas sugeriu que os ecos rotacionais observados em gases moleculares deveriam ter suas contrapartes na dinâmica vibracional molecular, uma previsão que foi posteriormente confirmada por seus experimentos. Uma vez que eles começaram a conduzir experimentos, Contudo, os pesquisadores perceberam que o sistema de medição utilizado na ECNU também permite a observação do chamado 'efeito de eco' em gases extremamente rarefeitos, e potencialmente até mesmo em uma única molécula.

    O aparelho utilizado pelos pesquisadores da instituição chinesa é, na verdade, capaz de detectar sinais de moléculas individuais, um por vez. Quando eles perceberam isso, a equipe começou a investigar os ecos do pacote de ondas quânticas em uma molécula individual. As moléculas usadas em seu experimento eram vibracionalmente frias, portanto, a interação de todas as moléculas com os campos de laser começou do mesmo estado inicial e é governada pelas regras da mecânica quântica.

    "Usualmente, ecos aparecem em conjuntos contendo muitos spins, átomos ou moléculas cujas propriedades são ligeiramente dispersas, "Averbukh disse." No caso de moléculas únicas, a necessária 'incerteza' é introduzida pela magia da mecânica quântica. Embora todas as moléculas comecem do mesmo estado inicial e sejam excitadas exatamente pelos mesmos campos de laser, seu estado após a excitação não é totalmente conhecido e as moléculas existem em uma 'superposição' de múltiplos estados vibracionais quânticos. "

    Os efeitos investigados por Averbukh e seus colegas se assemelham aos introduzidos em um famoso experimento mental de Richard Feynman, que ganhou o Prêmio Nobel de Física em 1965. Neste 'experimento gedanken', Feynman considerou enviar elétrons um a um através de duas fendas espaçadas, e coleta de sinal de uma tela atrás dessas fendas. Se nenhuma medida adicional for introduzida, as leis da mecânica quântica impedem os pesquisadores de saber por qual fenda cada elétron individual passou. Como resultado, enquanto os elétrons individuais estão espalhados aleatoriamente pela tela, quando o experimento é repetido muitas vezes, os cliques individuais na tela formam um padrão de interferência causado por essa 'incerteza quântica'.

    "No nosso caso, a interferência quântica acontece dentro de cada molécula individual e se manifesta no domínio do tempo, em vez de no espaço regular, "Averbukh explicou." Em certo sentido, nosso trabalho apresenta uma versão intramolecular resolvida no tempo do experimento de pensamento de Feynman. "

    Nos experimentos realizados por Averbukh e seus colegas, a dinâmica espaço-temporal de ecos de pacotes de ondas quânticos em uma única molécula isolada foram visualizados com resoluções de femtossegundo e Angstrom. Para fazer isso, os pesquisadores usaram uma técnica de detecção de coincidência desenvolvida pela equipe da ECNU em uma câmara de vácuo ultra-alto.

    "As moléculas interagem com os pulsos de laser uma de cada vez e são medidas individualmente, "Professor Jian Wu, que liderou a equipe realizando os experimentos na ECNU, disse a Phys.org. "Semelhante aos experimentos de interferência de 'partícula única', por exemplo., elétrons ou fótons únicos passando por uma fenda dupla, aqui, a medição é repetida muitas vezes até que a distribuição de probabilidade dos ecos de uma única molécula seja claramente visualizada no espaço e no tempo. "

    Por ondas vibracionais impulsivamente estimulantes na molécula, os pesquisadores foram capazes de observar suas oscilações e dispersões ao longo do tempo. Isso permitiu que eles identificassem dois mecanismos-chave por trás da formação de ecos nas moléculas - a saber, um tremor de potencial molecular totalmente induzido e a criação de um 'buraco' induzido pelo esgotamento na distribuição do espaço nuclear.

    A observação de um eco de uma única molécula é um resultado incomum. A maioria dos estudos anteriores se concentrou em ecos que ocorrem em uma distribuição não homogênea de moléculas, onde o eco era normalmente usado para eliminar as variações individuais entre diferentes moléculas. A equipe por trás do estudo atual, por outro lado, foi capaz de sondar inerentemente as propriedades internas de uma única molécula, coletando novos resultados interessantes.

    "Nossos experimentos com a única molécula juntam-se a um pequeno número de experimentos relacionados, tal como interferência de um único elétron ou um único átomo ou um único fóton (por exemplo, em um experimento de Young de duas fendas) e, como tal, eles fornecem uma perspectiva adicional sobre o elemento fundamental da dualidade onda-partícula na mecânica quântica, "Professor Yehiam Prior, outro pesquisador que realizou o estudo, disse a Phys.org.

    Até aqui, os cientistas do Weizmann Institute of Science e ECNU realizaram seus experimentos em pequenas moléculas individuais. No futuro, Contudo, seu procedimento poderia, em princípio, ser usado para investigar ecos em objetos maiores com muitos graus internos de liberdade, possibilitando o estudo desses graus de liberdade internos em moléculas isoladas. Além disso, suas descobertas podem abrir caminho para o desenvolvimento de ferramentas mais eficientes para sondar processos específicos em diferentes moléculas.

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