05.01.2022 - Universität Konstanz

Instantáneas del mundo cuántico

Una colaboración de investigación puede leer estados de espín previamente indistinguibles ópticamente mediante un método de espectroscopia recién desarrollado

La alternancia entre los estados singlete y triplete de los pares de electrones en estados de carga separada desempeña un papel importante en la naturaleza. Presumiblemente, incluso la brújula de las aves migratorias puede explicarse por la influencia del campo geomagnético en la interacción magnética entre estos dos estados de espín. Hasta ahora, este proceso cuántico no podía seguirse directamente de forma óptica y sólo podía evaluarse sumariamente en el producto final. En el número actual de la revista Science, una investigación realizada en colaboración con el profesor Ulrich Steiner de la Universidad de Constanza e investigadores de las Universidades de Würzburg y Novosibirsk (RUS) presenta la técnica de impulso-bomba, que permite por primera vez determinar ópticamente el curso temporal de la relación single/triple. Esto abre nuevas vías, por ejemplo en el campo de las células solares orgánicas, pero también para los qubits en los ordenadores cuánticos.

Normalmente, los electrones de una molécula ocupan las órbitas cuánticas teóricamente permitidas por parejas. La propiedad del momento angular intrínseco de los electrones, su espín, tiene aquí una importancia fundamental. Según el principio de exclusión de Pauli de la mecánica cuántica, dos electrones pueden viajar por la misma órbita sólo si sus espines son antiparalelos. Si un electrón gira en el sentido de las agujas del reloj, el otro debe girar en sentido contrario. En el estado básico molecular, normalmente todos los espines de los electrones están emparejados. Mediante la excitación luminosa, un solo electrón se separa de la constelación emparejada y se eleva a un nivel energéticamente superior, donde ocupa una órbita libre en solitario. Desde aquí, puede saltar a una órbita libre en una molécula vecina adecuada. El resultado es una transferencia de electrones fotoinducida. Los dos electrones separados pueden ahora cambiar sus configuraciones de espín independientemente uno del otro a través de la interacción magnética con sus respectivos alrededores, ya que ya no están limitados por el principio de Pauli.

Los dos electrones solitarios forman un par radical

Esta separación de cargas por transferencia de electrones fotoinducida también tiene lugar, por ejemplo, en la fotosíntesis. La energía del electrón transferido sólo disminuye ligeramente durante este paso, de modo que la mayor parte de la energía electrónica absorbida inicialmente a través de la excitación de la luz sigue conservándose. Esta energía de excitación original se almacena así en forma química. En química, el estado de carga separada con los dos electrones solitarios también se conoce como par radical. Si los espines de los dos electrones separados están alineados en paralelo, hablamos de un estado triplete; si su alineación es antiparalela, lo llamamos estado singlete del par radical. Debido a las evoluciones individuales libres de los dos espines, el estado de espín del par radical alterna entre el estado singlete y el triplete. Como no hay mucha diferencia entre estos alineamientos de espín en términos de energía, hasta ahora no eran directamente distinguibles ópticamente.

La estabilización energética del par de radicales puede lograrse mediante el salto del electrón radical de la molécula aceptora a la molécula donante, con lo que se restablece el estado singlete original, liberando energía en forma de calor. Sin embargo, para poder emparejarse de nuevo con el electrón asociado original, su espín debe haber permanecido opuesto al de este último, lo que no es necesariamente el caso, ya que puede haberse producido una reorientación del espín en el ínterin. Si su alineación actual es diferente, no puede volver a su órbita original, pero, alternativamente, puede liberar energía pasando a otra órbita inferior que todavía está libre. Esto da lugar a un producto triplete que puede distinguirse ópticamente del producto singlete.

El par radical como modelo para los qubits y el sensor de campo magnético de las aves migratorias

La fase en la que los pares radicales oscilan entre el estado singlete y el triplete es de especial interés en muchos aspectos. Al tratarse de un movimiento coherente regido por la mecánica cuántica, básicamente puede controlarse, por ejemplo, mediante un campo magnético externo. Este tipo de movimientos se utilizan, por ejemplo, en física para implementar ordenadores cuánticos. "Nuestro par radical puede servir de modelo para los qubits, tal y como existen como elementos en los ordenadores cuánticos, o para entender la función de los pares radicales en el modelo de brújula biológica de las aves migratorias mencionado anteriormente. Por estas razones, es interesante saber cómo se posiciona actualmente el espín en este proceso", afirma Ulrich Steiner, cuyos campos de investigación son la fotocinética y la química del espín.

Técnica de "bomba-empuje-pulso" para leer la relación single/triple

Con la técnica de "bombeo-empuje-pulso", el equipo de investigación ha desarrollado un procedimiento que permite, por primera vez, leer la relación singlete/triplete en momentos concretos. En primer lugar, la transferencia de electrones de la molécula donante a la aceptora se inicia con un pulso láser de bombeo. Esto da lugar al estado de carga separada con espín singlete. Los espines de los electrones desacoplados pueden ahora evolucionar. Al cabo de cierto tiempo, le sigue un segundo pulso láser. "Este pulso láser de empuje transfiere a su vez un electrón del aceptor al donante, con lo que el segundo pulso láser obliga al sistema a tomar inmediatamente la decisión entre la formación del producto triplete o singlete, para lo cual el par radical tardaría normalmente varios periodos de oscilación de espín", dice Ulrich Steiner, que, junto con su colega ruso, ha confirmado la interpretación de los experimentos mediante cálculos de modelos basados en la teoría cuántica. De esta manera es posible tomar lo que se puede llamar instantáneas del estado de espín del par radical en diferentes momentos.

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