Os físicos do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) resolveram o aparentemente intratável quebra-cabeça de como controlar as propriedades quânticas de moléculas individuais carregadas, ou íons moleculares. A solução é usar o mesmo tipo de "lógica quântica" que aciona um relógio atômico experimental NIST.

A nova técnica atinge um objetivo indescritível, controlar moléculas tão eficazmente quanto resfriamento a laser e outras técnicas podem controlar átomos. O controle quântico dos átomos revolucionou a física atômica, levando a aplicações como relógios atômicos. Mas o resfriamento a laser e o controle das moléculas são extremamente desafiadores porque são muito mais complexos do que os átomos.

A técnica NIST ainda usa um laser, mas apenas para sondar suavemente a molécula; seu estado quântico é detectado indiretamente. Este tipo de controle de íons moleculares - vários átomos unidos e carregando uma carga elétrica - poderia levar a arquiteturas mais sofisticadas para processamento de informação quântica, amplificar sinais na pesquisa de física básica, como medir a "redondeza" da forma do elétron, e aumentar o controle de reações químicas.

A pesquisa é descrita na edição de 11 de maio da Natureza e foi realizada no grupo NIST Boulder que demonstrou o primeiro resfriamento a laser de íons atômicos em 1978.

“Desenvolvemos métodos que são aplicáveis ​​a muitos tipos de moléculas, "O físico do NIST James ChinwenChou disse." Qualquer truque que você possa usar com íons atômicos está agora ao alcance dos íons moleculares. Agora a molécula vai 'ouvir' você - perguntando, na verdade, 'O que você quer que eu faça?'"

"Isso é comparável a quando os cientistas puderam primeiro resfriar a laser e capturar átomos, abrindo as comportas para aplicações em metrologia de precisão e processamento de informação. Nosso sonho é realizar todas essas coisas com moléculas, "Chou acrescentou.

Comparado aos átomos, as moléculas são mais difíceis de controlar porque têm estruturas mais complexas, envolvendo muitos níveis de energia eletrônica, vibrações e rotações. As moléculas podem consistir em muitos números e combinações diferentes de átomos e ser tão grandes quanto fitas de DNA com mais de um metro de comprimento.

O método NIST encontra o estado quântico (eletrônico, vibracional, e rotacional) do íon molecular, transferindo a informação para um segundo íon, neste caso, um íon atômico, que pode ser resfriado a laser e controlado com técnicas previamente conhecidas. Emprestando ideias do relógio lógico quântico do NIST, os pesquisadores tentam manipular o íon molecular e, se bem sucedido, desencadeia um movimento sincronizado no par de íons. A manipulação é escolhida de forma que só possa desencadear o movimento se a molécula estiver em um determinado estado. A resposta "sim" ou "não" é sinalizada pelo íon atômico. A técnica é muito suave, indicando os estados quânticos da molécula sem destruí-los.

"A molécula só sacode se estiver no estado certo. O átomo sente essa sacudidela e pode transferir a sacudida para um sinal de luz que podemos captar, "disse o autor sênior Dietrich Leibfried." Isso é como o Braille, que permite às pessoas sentir o que está escrito em vez de ver. Sentimos o estado da molécula em vez de vê-lo, e o íon atômico é nosso dedo microscópico que nos permite fazer isso. "

"Além disso, o método deve ser aplicável a um grande grupo de moléculas sem alterar a configuração. Isso é parte da missão básica do NIST, para desenvolver ferramentas de medição de precisão que talvez outras pessoas possam usar em seu trabalho, "Leibfried acrescentou.

Para realizar o experimento, Os pesquisadores do NIST vasculharam equipamentos antigos, mas ainda funcionais, incluindo a armadilha de ânions usada em um experimento de teletransporte quântico de 2004. Eles também pegaram emprestado luz laser de um experimento de relógio lógico quântico em andamento no mesmo laboratório.

Os pesquisadores prenderam dois íons de cálcio separados por apenas alguns milionésimos de metro em uma câmara de alto vácuo em temperatura ambiente. O gás hidrogênio vazou para a câmara de vácuo até que um íon de cálcio reagiu para formar um íon molecular de hidreto de cálcio (CaH +) feito de um íon de cálcio e um hidrogênio ligado.

Como um par de pêndulos acoplados por uma mola, os dois íons podem desenvolver um movimento compartilhado por causa de sua proximidade física e da interação repulsiva de suas cargas elétricas. Os pesquisadores usaram um laser para resfriar o íon atômico, assim, também resfria a molécula ao estado de energia mais baixa. Temperatura da sala, o íon molecular também está em seu estado eletrônico e vibracional mais baixo, mas permanece em uma mistura de estados rotacionais.

Os pesquisadores então aplicaram pulsos de luz infravermelha a laser - ajustados para evitar mudanças nos estados eletrônicos ou vibracionais dos íons - para conduzir uma transição única entre dois dos mais de 100 possíveis estados de rotação da molécula. Se essa transição ocorreu, um quantum de energia foi adicionado ao movimento compartilhado de dois íons. Os pesquisadores então aplicaram um pulso de laser adicional para converter a mudança no movimento compartilhado em uma mudança no nível de energia interna do íon atômico. O íon atômico então começou a espalhar a luz, sinalizando que o estado do íon molecular havia mudado e estava no estado desejado.

Subseqüentemente, os pesquisadores podem então transferir o momento angular da luz emitida e absorvida durante as transições induzidas por laser para, por exemplo, orientar o estado de rotação da molécula em uma direção desejada.

As novas técnicas têm uma ampla gama de aplicações possíveis. Outros cientistas do NIST na JILA usaram lasers anteriormente para manipular nuvens de moléculas carregadas específicas de certas maneiras, mas a nova técnica NIST pode ser usada para controlar muitos tipos diferentes de íons moleculares maiores de mais maneiras, Chousaid.

Os íons moleculares oferecem mais opções do que os íons atômicos para armazenar e converter informações quânticas, Disse Chou. Por exemplo, eles poderiam oferecer mais versatilidade para distribuir informações quânticas para diferentes tipos de hardware, como componentes supercondutores.

O método também pode ser usado para responder a questões profundas da física, como se as "constantes" fundamentais da natureza mudam com o tempo. O íon molecular hidreto de cálcio foi identificado como onecandidato para responder a essas perguntas. Além disso, para medições do dipolemomento elétrico do elétron (uma quantidade que indica a circularidade da distribuição de carga das partículas), a capacidade de controlar com precisão todos os aspectos de centenas de íons ao mesmo tempo aumentaria a força do sinal que os cientistas desejam medir, Disse Chou.