Moléculas poliatômicas individuais foram presas em conjuntos de pinças ópticas pela primeira vez. Pesquisadores nos EUA foram capazes de controlar estados quânticos individuais das moléculas de três átomos e a técnica poderia encontrar aplicações na computação quântica e em pesquisas de física além do Modelo Padrão.

O resfriamento de moléculas a temperaturas próximas do zero absoluto é uma fronteira emocionante na física ultrafria porque fornece uma janela sobre como os processos químicos são conduzidos pela mecânica quântica. Durante décadas, os físicos resfriaram átomos a temperaturas ultrafrias. No entanto, o arrefecimento das moléculas é muito mais difícil porque podem reter energia em muito mais graus de liberdade (rotação e vibração) – e o arrefecimento de uma molécula requer a remoção da energia de todos estes. Um sucesso considerável foi alcançado com moléculas diatômicas, mas o número de graus de liberdade cresce acentuadamente com cada átomo adicional, de modo que o progresso com moléculas maiores tem sido mais limitado.

Agora, John doyle, Nathaniel Vilas e colegas da Universidade de Harvard resfriaram moléculas triatômicas individuais até seus estados quânticos fundamentais. Cada molécula compreende um átomo de cálcio, um oxigênio e um átomo de hidrogênio.

geometria linear

“A principal coisa que gostamos nesta molécula é que, no estado fundamental, ela tem uma geometria linear”, explica Vilas, “mas tem um estado excitado baixo com uma geometria curvada… e isso lhe dá uma rotação adicional grau de liberdade."

Em 2022, uma equipe incluindo Vilas e Doyle o laser resfriou uma nuvem dessas moléculas a 110 μK em uma armadilha magneto-óptica. Ninguém, entretanto, jamais resfriou moléculas individuais contendo mais de dois átomos até seus estados quânticos fundamentais.

No novo trabalho, Vilas e colegas carregaram suas moléculas de uma armadilha magneto-óptica em um conjunto de seis armadilhas de pinça óptica adjacentes. Eles usaram um pulso de laser para promover algumas das moléculas a um estado excitado: “Como essa molécula excitada está lá, há uma seção transversal muito maior para as moléculas interagirem”, diz Vilas, “Portanto, há alguma interação dipolo-dipolo entre o solo estado e estado excitado, que levam a colisões inelásticas e eles se perdem da armadilha.” Usando esse método, os pesquisadores reduziram o número de moléculas em quase todas as armadilhas de pinça para apenas uma.

Antes de prosseguirem com a imagem das moléculas, os pesquisadores tiveram que decidir qual comprimento de onda de luz deveriam usar para a pinça óptica. O requisito central é que a pinça não cause excitação não intencional em estados escuros. Estes são estados quânticos da molécula que são invisíveis ao laser da sonda. A estrutura energética da molécula é tão complexa que muitos dos estados elevados não foram atribuídos a nenhum movimento da molécula, mas os investigadores descobriram empiricamente que a luz num comprimento de onda de 784.5 nm conduzia a perdas mínimas.

Acumulação populacional

Os pesquisadores então usaram um laser de 609 nm para conduzir uma transmissão de uma configuração linear da molécula na qual os três átomos estão alinhados, para um modo vibracional no qual a linha se curva. As moléculas foram deixadas em uma combinação de três subníveis de spin quase degenerados. Ao bombear posteriormente as moléculas com um laser de 623 nm, eles excitaram as moléculas para um estado que decaiu de volta para um dos subníveis originais ou para um quarto subnível de energia mais baixa que não absorveu o laser. Com excitação e decadência repetidas, portanto, a população acumulou-se no subnível inferior.

Finalmente, os pesquisadores mostraram que um pequeno campo magnético de radiofrequência poderia conduzir as oscilações de Rabi entre dois níveis de energia do sistema. Isto pode ser extremamente importante para pesquisas futuras em computação quântica: “A geometria não tem qualquer influência neste trabalho atual…Temos essas seis armadilhas e cada uma delas se comporta de forma totalmente independente”, diz Vilas. “Mas você pode pensar em cada um como um qubit molecular independente, então nosso objetivo seria começar a implementar portas nesses qubits.” Poderia até ser possível codificar informações em vários graus de liberdade ortogonais, criando “qudits” que transportam mais informações do que qubits.

Outras possibilidades incluem pesquisas por nova física. “Devido à estrutura diversificada destas moléculas, há um acoplamento entre a estrutura e diferentes tipos de nova física – seja matéria escura ou partículas de alta energia além do Modelo Padrão, e tê-las controladas no nível que temos agora tornará os métodos espectroscópicos mais adequados. mais sensível”, diz Vilas.

“É uma espécie de marco na área porque diz que podemos controlar até mesmo moléculas únicas que tenham mais de dois átomos”, diz Lawrence Cheuk da Universidade de Princeton, em Nova Jersey; “Se você adicionar um terceiro átomo, obterá um modo de flexão, e isso é muito útil em certas aplicações. Assim, no mesmo trabalho, o grupo Doyle não só mostrou que pode capturar e detectar triatômicos únicos: também mostrou que pode manipular de maneira coerente o modo de curvatura dentro desses triatômicos.” Ele está intrigado sobre se moléculas ainda maiores podem ser manipuladas, abrindo o estudo de características como a quiralidade.

A pesquisa é descrita em Natureza.   

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