Pesquisadores da Universidade de Basel desenvolveram um novo método com o qual moléculas isoladas individuais podem ser estudadas com precisão - sem destruir a molécula ou mesmo influenciar seu estado quântico. Esta técnica altamente sensível para sondar moléculas é amplamente aplicável e abre caminho para uma série de novas aplicações nos campos da ciência quântica, espectroscopia e química, como o jornal Ciência relatórios.

As análises espectroscópicas são baseadas na interação da matéria com a luz e representam a ferramenta experimental mais importante para estudar as propriedades das moléculas. Em experimentos espectroscópicos típicos, uma amostra contendo um grande número de moléculas é irradiada diretamente. As moléculas só podem absorver luz em comprimentos de onda bem definidos que correspondem às diferenças de energia entre dois de seus estados quânticos. Isso é conhecido como excitação espectroscópica.

No decorrer desses experimentos, as moléculas são perturbadas e mudam seu estado quântico. Em muitos casos, as moléculas até precisam ser destruídas para detectar as excitações espectroscópicas. A análise dos comprimentos de onda e das intensidades dessas excitações fornecem informações sobre a estrutura química das moléculas e seus movimentos, como rotações ou vibrações.

Inspirado por métodos quânticos desenvolvidos para a manipulação de átomos, o grupo de pesquisa do Prof. Stefan Willitsch do Departamento de Química da Universidade de Basel desenvolveu uma nova técnica que permite medições espectroscópicas no nível de uma única molécula, aqui como exemplo um único, molécula de nitrogênio carregada. A nova técnica não perturba a molécula e nem mesmo perturba seu estado quântico.

Em seus experimentos, a molécula fica presa em uma armadilha de radiofrequência e resfriada até próximo ao ponto zero absoluto da escala de temperatura (aprox. -273 ° C). Para habilitar o resfriamento, um átomo auxiliar (aqui um único, átomo de cálcio carregado) é simultaneamente capturado e localizado próximo à molécula. Essa proximidade espacial também é essencial para o estudo espectroscópico subsequente da molécula.

Uma única molécula em uma rede óptica

Subseqüentemente, uma força é gerada na molécula focalizando dois feixes de laser nas partículas para formar a chamada rede óptica. A força dessa força óptica aumenta com a proximidade do comprimento de onda irradiado a uma excitação espectroscópica na molécula, resultando em uma vibração da molécula dentro da armadilha, em vez de sua excitação.

A força da vibração está, portanto, relacionada com a proximidade de uma transição espectroscópica e é transmitida ao átomo de cálcio vizinho a partir do qual é detectada com alta sensibilidade. Desta maneira, a mesma informação sobre a molécula pode ser recuperada como em um experimento espectroscópico convencional.

Este método, que é um novo tipo de espectroscopia de força, apresenta vários novos conceitos:primeiro, ele depende de moléculas únicas em vez de grandes conjuntos. Segundo, representa uma técnica completamente não invasiva, já que a detecção é realizada indiretamente (por meio de um átomo vizinho) e sem uma excitação direta de transições espectroscópicas. Portanto, o estado quântico da molécula permanece intacto, para que a medição possa ser repetida continuamente. Como resultado, o método é muito mais sensível do que os métodos espectroscópicos estabelecidos, que dependem da excitação direta e da destruição de um grande número de moléculas.

Aplicações em relógios extremamente precisos e blocos de construção para computadores quânticos

Há uma série de aplicações potenciais do novo método, O Prof. Willitsch explica:"Nosso tipo de espectroscopia de força permite medições extremamente precisas em moléculas que não são possíveis com as técnicas espectroscópicas convencionais. Com o novo método, pode-se estudar propriedades moleculares e reações químicas de maneira muito sensível e sob condições precisamente definidas no nível de uma única molécula. Também abre caminho para investigações de questões fundamentais, como se as constantes físicas são realmente constantes ou variam com o tempo. Uma aplicação mais prática poderia ser o desenvolvimento de um relógio ultrapreciso baseado em uma única molécula - ou a aplicação de moléculas como blocos de construção para computadores quânticos. "