I ricercatori dell'Università di Basilea hanno sviluppato un nuovo metodo con il quale le singole molecole isolate possono essere studiate con precisione, senza distruggere la molecola o addirittura influenzarne lo stato quantistico. Questa tecnica altamente sensibile per sondare le molecole è ampiamente applicabile e apre la strada a una serie di nuove applicazioni nei campi della scienza quantistica, spettroscopia e chimica, come il diario Scienza rapporti.

Le analisi spettroscopiche si basano sull'interazione della materia con la luce e rappresentano il più importante strumento sperimentale per studiare le proprietà delle molecole. In tipici esperimenti spettroscopici, un campione contenente un gran numero di molecole viene irradiato direttamente. Le molecole possono assorbire la luce solo a lunghezze d'onda ben definite che corrispondono a differenze di energia tra due dei loro stati quantistici. Si parla di eccitazione spettroscopica.

Nel corso di questi esperimenti, le molecole sono perturbate e cambiano il loro stato quantico. In molti casi, le molecole devono anche essere distrutte per rilevare le eccitazioni spettroscopiche. L'analisi delle lunghezze d'onda e delle intensità di queste eccitazioni fornisce informazioni sulla struttura chimica delle molecole e sui loro moti come rotazioni o vibrazioni.

Ispirato dai metodi quantistici sviluppati per la manipolazione degli atomi, il gruppo di ricerca del Prof. Stefan Willitsch presso il Dipartimento di Chimica dell'Università di Basilea ha sviluppato una nuova tecnica che consente misurazioni spettroscopiche a livello di una singola molecola, qui a titolo di esempio un singolo, molecola di azoto carica. La nuova tecnica non disturba la molecola né perturba il suo stato quantico.

Nei loro esperimenti, la molecola viene intrappolata in una trappola a radiofrequenza e raffreddata vicino allo zero assoluto della scala di temperatura (circa -273 °C). Per abilitare il raffreddamento, un atomo ausiliario (qui un singolo, atomo di calcio carico) è simultaneamente intrappolato e localizzato vicino alla molecola. Questa vicinanza spaziale è essenziale anche per il successivo studio spettroscopico della molecola.

Una singola molecola in un reticolo ottico

Successivamente, una forza viene generata sulla molecola focalizzando due raggi laser sulle particelle per formare un cosiddetto reticolo ottico. La forza di questa forza ottica aumenta con la vicinanza della lunghezza d'onda irradiata a un'eccitazione spettroscopica nella molecola con conseguente vibrazione della molecola all'interno della trappola invece della sua eccitazione.

L'intensità della vibrazione è quindi correlata alla vicinanza di una transizione spettroscopica e viene trasmessa all'atomo di calcio limitrofo dal quale viene rilevata con elevata sensibilità. In questo modo, le stesse informazioni sulla molecola possono essere recuperate come in un esperimento spettroscopico convenzionale.

Questo metodo, che è un nuovo tipo di spettroscopia di forza, introduce diversi nuovi concetti:primo, si basa su singole molecole invece di grandi insiemi. Secondo, rappresenta una tecnica completamente non invasiva in quanto il rilevamento viene effettuato indirettamente (tramite un atomo vicino) e senza un'eccitazione diretta delle transizioni spettroscopiche. Perciò, lo stato quantico della molecola viene lasciato intatto, in modo che la misurazione possa essere ripetuta continuamente. Di conseguenza, il metodo è molto più sensibile dei metodi spettroscopici consolidati che si basano sull'eccitazione diretta e la distruzione di un gran numero di molecole.

Applicazioni in orologi e blocchi di costruzione estremamente precisi per computer quantistici

Esiste una gamma di potenziali applicazioni del nuovo metodo, Il prof. Willitsch spiega:"Il nostro tipo di spettroscopia di forza consente misurazioni estremamente precise su molecole che non sono possibili con le tecniche spettroscopiche convenzionali. Con il nuovo metodo, si possono studiare le proprietà molecolari e le reazioni chimiche in condizioni molto sensibili e precisamente definite a livello di singola molecola. Inoltre apre la strada a indagini su questioni fondamentali come se le costanti fisiche siano realmente costanti o variano con il tempo. Un'applicazione più pratica potrebbe essere lo sviluppo di un orologio ultrapreciso basato su una singola molecola o l'applicazione di molecole come elementi costitutivi per i computer quantistici".