I fisici del National Institute of Standards and Technology (NIST) hanno risolto il puzzle apparentemente intrattabile di come controllare le proprietà quantistiche delle singole molecole cariche, o ioni molecolari. La soluzione è usare lo stesso tipo di "logica quantistica" che guida un orologio atomico NIST sperimentale.

La nuova tecnica raggiunge un obiettivo sfuggente, controllare le molecole con la stessa efficacia del raffreddamento laser e altre tecniche possono controllare gli atomi. Il controllo quantistico degli atomi ha rivoluzionato la fisica atomica, portando ad applicazioni come gli orologi atomici. Ma il raffreddamento laser e il controllo delle molecole è estremamente impegnativo perché sono molto più complessi degli atomi.

La tecnica NIST utilizza ancora un laser, ma solo per sondare delicatamente la molecola; il suo stato quantistico viene rilevato indirettamente. Questo tipo di controllo degli ioni molecolari - diversi atomi legati insieme e portatori di una carica elettrica - potrebbe portare a architetture più sofisticate per l'elaborazione delle informazioni quantistiche, amplificare i segnali nella ricerca fisica di base come misurare la "rotondità" della forma dell'elettrone, e aumentare il controllo delle reazioni chimiche.

La ricerca è descritta nel numero dell'11 maggio di Natura ed è stato eseguito nel gruppo NIST Boulder che ha dimostrato il primo raffreddamento laser di ioni atomici nel 1978.

"Abbiamo sviluppato metodi applicabili a molti tipi di molecole, "Il fisico del NIST James ChinwenChou ha detto. "Qualunque trucco si possa giocare con gli ioni atomici è ora a portata di mano con gli ioni molecolari. Ora la molecola ti 'ascolterà' chiedendoti, in effetti, 'Cosa volete che faccia?'"

"Questo è paragonabile a quando gli scienziati potevano per la prima volta raffreddare e intrappolare gli atomi con il laser, aprendo le porte alle applicazioni nella metrologia di precisione e nell'elaborazione delle informazioni. Il nostro sogno è realizzare tutte queste cose con le molecole, " Ha aggiunto Cho.

Rispetto agli atomi, le molecole sono più difficili da controllare perché hanno strutture più complesse che coinvolgono molti livelli di energia elettronica, vibrazioni e rotazioni. Le molecole possono essere costituite da molti diversi numeri e combinazioni di atomi ed essere grandi come filamenti di DNA lunghi più di un metro.

Il metodo NIST trova lo stato quantistico (elettronico, vibrazionale, e rotazionale) dello ione molecolare trasferendo l'informazione a un secondo ione, in questo caso uno ione atomico, che può essere raffreddato al laser e controllato con tecniche precedentemente note. Prendendo in prestito idee dall'orologio logico quantistico del NIST, i ricercatori tentano di manipolare lo ione molecolare e, in caso di successo, innescare un movimento sincronizzato nella coppia di ioni. La manipolazione è scelta in modo tale che possa innescare il movimento solo se la molecola si trova in un certo stato. La risposta "sì" o "no" è segnalata dallo ione atomico. La tecnica è molto delicata, indicando gli stati quantici della molecola senza distruggerli.

"La molecola si muove solo se è nello stato giusto. L'atomo sente quel tremolio e può trasferire il tremolio in un segnale luminoso che possiamo raccogliere, " ha detto l'autore senior Dietrich Leibfried. "Questo è come il Braille, che permette alle persone di sentire ciò che è scritto invece di vederlo. Sentiamo lo stato della molecola invece di vederlo e lo ione atomico è il nostro dito microscopico che ci permette di farlo".

"Inoltre, il metodo dovrebbe essere applicabile a un ampio gruppo di molecole senza modificare la configurazione. Questo fa parte della missione di base del NIST, sviluppare strumenti di misurazione di precisione che forse altre persone possono utilizzare nel loro lavoro, "Ha aggiunto Leibfried.

Per eseguire l'esperimento, I ricercatori del NIST hanno recuperato apparecchiature vecchie ma ancora funzionanti, inclusa la trappola anionica utilizzata in un esperimento di teletrasporto quantistico del 2004. Hanno anche preso in prestito la luce laser da un esperimento di orologio logico quantistico in corso nello stesso laboratorio.

I ricercatori hanno intrappolato due ioni calcio a pochi milionesimi di metro l'uno dall'altro in una camera ad alto vuoto a temperatura ambiente. Il gas idrogeno è stato fatto fuoriuscire nella camera a vuoto fino a quando uno ione calcio ha reagito per formare uno ione molecolare idruro di calcio (CaH+) costituito da uno ione calcio e un idrogenoatomo legati insieme.

Come un paio di pendoli che sono accoppiati da una molla, i due ioni possono sviluppare un moto condiviso a causa della loro vicinanza fisica e dell'interazione repulsiva delle loro cariche elettriche. I ricercatori hanno utilizzato un laser per raffreddare lo ione atomico, raffreddando così anche la molecola allo stato di energia più bassa. A temperatura ambiente, lo ione molecolare è anche nel suo stato elettronico e vibrazionale più basso ma rimane in una miscela di stati rotazionali.

I ricercatori hanno quindi applicato impulsi di luce laser infrarossa, sintonizzati per prevenire modifiche agli stati elettronici o vibrazionali degli ioni, per guidare una transizione unica tra due degli oltre 100 possibili stati di rotazione della molecola. Se si è verificata questa transizione, un quanto di energia è stato aggiunto al moto condiviso dei due ioni. I ricercatori hanno quindi applicato un impulso laser aggiuntivo per convertire il cambiamento nel movimento condiviso in un cambiamento nel livello di energia interna dello ione atomico. Lo ione atomico ha quindi iniziato a diffondere luce, segnalando che lo stato dello ione molecolare era cambiato ed era nello stato target desiderato.

Successivamente, i ricercatori possono quindi trasferire il momento angolare dalla luce emessa e assorbita durante le transizioni indotte dal laser a, Per esempio, orientare lo stato di rotazione della molecola nella direzione desiderata.

Le nuove tecniche hanno una vasta gamma di possibili applicazioni. Altri scienziati del NIST presso JILA hanno precedentemente utilizzato i laser per manipolare le nuvole di specifiche molecole cariche in determinati modi, ma la nuova tecnica NIST potrebbe essere utilizzata per controllare molti tipi diversi di ioni molecolari più grandi in più modi, Chousaid.

Gli ioni molecolari offrono più opzioni degli ioni atomici per l'archiviazione e la conversione di informazioni quantistiche, disse Cho. Per esempio, potrebbero offrire una maggiore versatilità per la distribuzione di informazioni quantistiche a diversi tipi di hardware come i componenti superconduttori.

Il metodo potrebbe essere utilizzato anche per rispondere a domande di fisica profonda, ad esempio se le "costanti" fondamentali della natura cambiano nel tempo. Lo ione molecolare idruro di calcio è stato identificato come uno dei candidati per rispondere a tali domande. Inoltre, per misurazioni del momento di dipolo elettrico dell'elettrone (una quantità che indica la rotondità della distribuzione di carica delle particelle), la capacità di controllare con precisione tutti gli aspetti di centinaia di ioni contemporaneamente aumenterebbe la forza del segnale che gli scienziati vogliono misurare, disse Cho.