Por primera vez se han atrapado moléculas poliatómicas individuales en conjuntos de pinzas ópticas. Investigadores estadounidenses pudieron controlar los estados cuánticos individuales de las moléculas de tres átomos y la técnica podría encontrar aplicaciones en la computación cuántica y en la búsqueda de física más allá del modelo estándar.

Enfriar moléculas a temperaturas cercanas al cero absoluto es una frontera apasionante en la física ultrafría porque proporciona una ventana a cómo los procesos químicos son impulsados ​​por la mecánica cuántica. Durante décadas, los físicos han estado enfriando átomos a temperaturas ultrafrías. Sin embargo, es mucho más difícil enfriar las moléculas porque pueden contener energía en muchos más grados de libertad (rotación y vibración), y enfriar una molécula requiere eliminar la energía de todos ellos. Se ha logrado un éxito considerable con las moléculas diatómicas, pero el número de grados de libertad crece rápidamente con cada átomo adicional, por lo que el progreso con moléculas más grandes ha sido más limitado.

Ahora, John Doyle, Nathaniel Vilas y colegas de la Universidad de Harvard han enfriado moléculas triatómicas individuales a sus estados fundamentales cuánticos. Cada molécula comprende un átomo de calcio, un oxígeno y un átomo de hidrógeno.

geometría lineal

"Lo principal que nos gusta de esta molécula es que, en el estado fundamental, tiene una geometría lineal", explica Vilas, "pero tiene un estado excitado bajo con una geometría curvada... y eso le da una rotación adicional". grado de libertad."

En 2022, un equipo que incluye a Vilas y Doyle El láser enfrió una nube de estas moléculas a 110 μK. en una trampa magnetoóptica. Sin embargo, nadie hasta ahora había enfriado moléculas individuales que contenían más de dos átomos hasta sus estados fundamentales cuánticos.

En el nuevo trabajo, Vilas y sus colegas cargaron sus moléculas desde una trampa magnetoóptica en una serie de seis trampas de pinzas ópticas adyacentes. Utilizaron un pulso láser para promover algunas de las moléculas a un estado excitado: "Debido a que esta molécula excitada está ahí, hay una sección transversal mucho mayor para que las moléculas interactúen", dice Vilas, "Así que hay cierta interacción dipolo-dipolo entre el suelo estado y estado excitado, eso conduce a colisiones inelásticas y se pierden de la trampa”. Usando este método, los investigadores redujeron la cantidad de moléculas en casi todas las trampas de pinzas a solo una.

Antes de poder proceder a obtener imágenes de las moléculas, los investigadores tuvieron que decidir qué longitud de onda de luz debían utilizar para la pinza óptica. El requisito central es que la pinza no debe provocar una excitación involuntaria hacia estados oscuros. Se trata de estados cuánticos de la molécula que son invisibles para la sonda láser. La estructura energética de la molécula es tan compleja que muchos de los estados elevados no se han asignado a ningún movimiento de la molécula, pero los investigadores descubrieron empíricamente que la luz en una longitud de onda de 784.5 nm provocaba una pérdida mínima.

Acumulación de población

Luego, los investigadores utilizaron un láser de 609 nm para impulsar una transmisión desde una configuración lineal de la molécula en la que los tres átomos están en línea, a un modo vibratorio en el que la línea se dobla. Las moléculas quedaron en una combinación de tres subniveles de espín casi degenerados. Posteriormente, bombearon las moléculas con un láser de 623 nm, excitaron las moléculas a un estado que decayó a uno de los subniveles originales o a un cuarto subnivel de menor energía que no absorbió el láser. Por lo tanto, con repetidas excitaciones y decadencias, la población se acumuló en el subnivel inferior.

Finalmente, los investigadores demostraron que un pequeño campo magnético de radiofrecuencia podría provocar oscilaciones de Rabi entre dos niveles de energía del sistema. Esto podría ser de gran importancia para futuras investigaciones en computación cuántica: "La geometría no tiene ninguna relación con este trabajo actual... Tenemos estas seis trampas y cada una se comporta de forma completamente independiente", dice Vilas. "Pero se puede pensar en cada uno como un qubit molecular independiente, por lo que nuestro objetivo sería comenzar a implementar puertas en estos qubits". Incluso podría ser posible codificar información en múltiples grados de libertad ortogonales, creando "qudits" que transporten más información que los qubits.

Otras posibilidades incluyen la búsqueda de nueva física. "Debido a la estructura diversa de estas moléculas, existe un acoplamiento entre la estructura y diferentes tipos de nueva física, ya sea materia oscura o partículas de alta energía más allá del Modelo Estándar, y tenerlas controladas al nivel que tenemos ahora hará que los métodos espectroscópicos avancen". más sensible”, afirma Vilas.

"Es una especie de hito en el campo porque dice que podemos controlar incluso moléculas individuales que tienen más de dos átomos", dice Lorenzo Cheuk de la Universidad de Princeton en Nueva Jersey; “Si añades un tercer átomo, obtienes un modo de flexión, y esto es muy útil en determinadas aplicaciones. Entonces, en el mismo trabajo, el grupo de Doyle no sólo demostró que pueden atrapar y detectar triatómicos individuales: también demostraron que pueden manipular de manera coherente el modo de flexión dentro de estos triatómicos”. Le intriga saber si se pueden manipular moléculas aún más grandes, abriendo el estudio de características como la quiralidad.

La investigación se describe en Naturaleza.   

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• Fuente: https://physicsworld.com/a/individual-polyatomic-molecules-are-trapped-in-optical-tweezer-arrays/