Um novo microscópio opera no estado quântico de elétrons únicos
Ilustração artística da integração da ressonância de spin eletrônico em microscopia de força atômica. A estrutura branca na parte inferior representa uma única molécula, as setas o seu estado quântico de spin e as linhas onduladas o campo magnético de radiofrequência necessário para a ressonância do spin do elétron, que é detectada pela ponta do microscópio de força atômica. Crédito:Eugenio Vázquez Físicos da Universidade de Regensburg descobriram uma maneira de manipular o estado quântico de elétrons individuais usando um microscópio com resolução atômica. Os resultados do estudo foram publicados na revista Nature .
Nós e tudo ao nosso redor somos constituídos por moléculas. As moléculas são tão pequenas que até mesmo uma partícula de poeira contém um número incontável delas. Agora é rotineiramente possível obter imagens precisas de tais moléculas com um microscópio de força atômica, que funciona de maneira bem diferente de um microscópio óptico:baseia-se na detecção de pequenas forças entre uma ponta e a molécula em estudo.
Usando este tipo de microscópio, pode-se até visualizar a estrutura interna de uma molécula. Embora se possa observar a molécula desta forma, isso não implica conhecer todas as suas diferentes propriedades. Por exemplo, já é muito difícil determinar em que tipo de átomos a molécula consiste.
Felizmente, existem outras ferramentas que podem determinar a composição das moléculas. Um deles é a ressonância de spin eletrônico, que se baseia em princípios semelhantes aos de um scanner de ressonância magnética na medicina. Na ressonância de spin do elétron, geralmente são necessárias inúmeras moléculas para obter um sinal que seja grande o suficiente para ser detectável. Com esta abordagem, não se pode acessar as propriedades de cada molécula, mas apenas a sua média.
Pesquisadores da Universidade de Regensburg, liderados pelo Prof. Jascha Repp do Instituto de Física Experimental e Aplicada da UR, integraram agora a ressonância do spin do elétron na microscopia de força atômica.
É importante ressaltar que a ressonância do spin do elétron é detectada diretamente com a ponta do microscópio, de modo que o sinal venha de apenas uma molécula individual. Dessa forma, eles podem caracterizar moléculas individuais uma por uma. Isso permite determinar de quais átomos é composta a molécula que eles acabaram de imaginar.
“Poderíamos até discriminar moléculas que não diferem no tipo de átomos que as compõe, mas apenas nos seus isótopos, nomeadamente, na composição dos núcleos dos átomos”, acrescenta Lisanne Sellies, primeira autora deste estudo.
"No entanto, estamos ainda mais intrigados com outra possibilidade que a ressonância do spin do elétron acarreta. Esta técnica pode ser usada para operar o estado spin-quântico dos elétrons presentes na molécula, "diz o Prof.
Os computadores quânticos armazenam e processam informações codificadas em um estado quântico. Para realizar um cálculo, os computadores quânticos são obrigados a manipular um estado quântico sem perder a informação pela chamada decoerência. Os pesquisadores em Regensburg mostraram que, com sua nova técnica, eles poderiam operar o estado quântico do spin em uma única molécula muitas vezes antes de o estado se desintegrar.
Uma vez que a técnica de microscopia permite a imagem da vizinhança individual da molécula, a técnica recentemente desenvolvida pode ajudar a compreender como a decoerência num computador quântico depende do ambiente à escala atómica e – eventualmente – como evitá-la.
Mais informações: Lisanne Sellies, Raffael Spachtholz, Sonja Bleher, Jakob Eckrich, Philipp Scheuerer, Jascha Repp, Ressonância de spin eletrônico de molécula única por meio de microscopia de força atômica, Natureza (2023). DOI:10.1038/s41586-023-06754-6 Informações do diário: Natureza
