Un nuevo microscopio funciona a partir del estado cuántico de electrones individuales
Nosotros, y todo lo que nos rodea, estamos formados por moléculas. Las moléculas son tan diminutas que incluso una mota de polvo contiene incontables de ellas. Lo más fascinante es que hoy en día es posible obtener imágenes precisas de esas moléculas con un microscopio llamado microscopio de fuerza atómica. Funciona de forma muy distinta a un microscopio óptico: se basa en la detección de fuerzas diminutas entre una punta y la molécula estudiada. De este modo, se puede incluso obtener una imagen de la estructura interna de una molécula. Aunque se puede observar la molécula de este modo, ello no implica conocer todas sus propiedades. Por ejemplo, ya es muy difícil determinar de qué tipo de átomos está compuesta la molécula.
Ilustración artística de la integración de la resonancia de espín electrónico en la microscopía de fuerza atómica. La estructura blanca de la parte inferior representa una única molécula, las flechas su estado cuántico de espín y las líneas onduladas el campo magnético de radiofrecuencia necesario para la resonancia de espín electrónico, que detecta la punta del microscopio de fuerza atómica.
© Eugenio Vázquez
Por suerte, existen otras herramientas que pueden determinar la composición de las moléculas. Una de ellas es la resonancia de espín electrónico, que se basa en principios similares a los del escáner de resonancia magnética en medicina. Sin embargo, en la resonancia de espín electrónico se suelen necesitar innumerables moléculas para obtener una señal lo suficientemente grande como para ser detectable. De este modo, no se puede acceder a las propiedades de cada molécula, sino sólo a su media.
Investigadores de la Universidad de Ratisbona, dirigidos por el Prof. Dr. Jascha Repp, del Instituto de Física Experimental y Aplicada de la UR, han integrado ahora la resonancia de espín electrónico en la microscopía de fuerza atómica. Lo más importante es que la resonancia de espín electrónico se detecta directamente con la punta del microscopio, de modo que la señal procede de una sola molécula. De este modo, pueden caracterizar moléculas individuales de una en una. Esto permitió determinar directamente de qué átomos está compuesta la molécula de la que acaban de obtener imágenes. "Incluso pudimos distinguir moléculas que no diferían en el tipo de átomos que las componían, sino sólo en sus isótopos, es decir, en la composición de los núcleos de los átomos", añade Lisanne Sellies, primera autora del estudio.
"Sin embargo, nos intriga aún más otra posibilidad que entraña la resonancia de espín electrónico:" explica el Prof. Dr. Repp, "esta técnica puede utilizarse para operar el estado cuántico de espín de los electrones presentes en la molécula." En la ilustración, esto se representa con las flechitas de colores. Pero, ¿por qué es interesante? Los ordenadores cuánticos almacenan y procesan información codificada en un estado cuántico. Para realizar un cálculo, los ordenadores cuánticos necesitan manipular un estado cuántico sin perder la información por la llamada decoherencia.
Los investigadores de Ratisbona demostraron que con su nueva técnica podían operar el estado cuántico del espín en una sola molécula muchas veces antes de que el estado se decoherenciara. Dado que la técnica de microscopía permite obtener imágenes de la vecindad individual de la molécula, la técnica recién desarrollada podría ayudar a comprender cómo la decoherencia en un ordenador cuántico depende del entorno a escala atómica y, con el tiempo, cómo evitarla.
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