Consiguen por vez primera el control cuántico de una molécula

Un grupo de investigadores ha conseguido controlar por primera vez algunos parámetros cuánticos de las moléculas (iones moleculares), abriendo la puerta a una nueva tecnología con numerosas aplicaciones.

Hace más de veinte años que los científicos aprendieron a controlar los parámetros cuánticos de los átomos y otras partículas elementales como el electrón o el fotón, posibilitando la construcción de relojes atómicos o cálculos relacionados con el perseguido ordenador cuántico.

Ahora, un equipo germano-norteamericano ha descubierto el sistema mediante el cual controlar cuánticamente las moléculas. Este tipo de control de los iones moleculares - varios átomos unidos entre sí y que llevan una carga eléctrica - podría conducir a arquitecturas más sofisticadas para el procesamiento de la información cuántica, amplificar las señales en la investigación física básica, como medir la "redondez" de la forma del electrón y aumentar el control de las reacciones químicas, según explican los investigadores en un comunicado.

En comparación con los átomos, las moléculas son más difíciles de controlar porque tienen estructuras más complejas que implican muchos niveles electrónicos de energía, vibraciones y rotaciones. Las moléculas pueden consistir en muchos números y combinaciones diferentes de átomos y ser tan grandes como las hebras de ADN, de más de un metro de largo.

Al igual que los átomos, las moléculas poseen también parámetros cuánticos. Sin embargo, las moléculas son más frágiles, en términos cuánticos, que los átomos: su manipulación y medida conduce frecuentemente a la destrucción de su coherencia y por ende a la pérdida de las informaciones y características que podrían ser  útiles para un cálculo o una medida.

El nuevo método encuentra el estado cuántico (electrónico, vibratorio y rotatorio) del ion molecular transfiriendo la información a un ion atómico, el cual puede ser enfriado por láser y controlado con técnicas previamente conocidas. El estado cuántico de la molécula se controla pues indirectamente, a través del ion atómico.

Unidos y oscilando

Más concretamente, los investigadores han atrapado dos átomos de calcio en una cavidad óptica de algunos micrómetros de diámetro y los han metido en una cámara de vacío a temperatura ambiente. Luego introdujeron hidrógeno gaseoso hasta que un ion de calcio reaccionó para formar un ion molecular de hidruro de calcio (CaH +), formado por un ion de calcio y un átomo de hidrógeno unidos entre sí.

Al igual que un par de péndulos que están acoplados por un resorte, los dos iones pueden desarrollar un movimiento compartido debido a su proximidad física y a la interacción repulsiva de sus cargas eléctricas.

Los investigadores usaron un láser para enfriar el ion atómico, enfriando así la molécula al estado de energía más baja. A temperatura ambiente, el ion molecular está también en su estado electrónico y vibratorio más bajo, pero permanece en una mezcla de estados rotacionales.

Usando pulsos láser en diferentes momentos del experimento, consiguieron orientar el estado de rotación de la molécula en una dirección deseada y controlar así su estado cuántico.

Según los investigadores, esta técnica puede aplicarse a todas las moléculas y proporcionar así mucha más información cuántica que la que dan los átomos, pudiendo de esta forma hacer mucho más potente, por ejemplo, a un ordenador cuántico.

Referencia

Preparation and coherent manipulation of pure quantum states of a single molecular ion. Nature 545, 203–207 (11 May 2017) doi:10.1038/nature22338