Un laboratorio cuántico para moléculas
La espectroscopia cuántica no destructiva revela las huellas moleculares
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En un artículo publicado en la revista *Nature*, investigadores de la Universidad de Innsbruck (Austria) han presentado un nuevo método cuántico para examinar moléculas individuales. Mediante la amplificación, basada en la mecánica cuántica, del momento de retroceso de un único fotón absorbido, el grupo de investigación dirigido por Philipp Schindler logró detectar y medir dicha absorción en un ion individual de hidróxido de calcio.
Durante décadas, se ha utilizado la luz para comprender las estructuras moleculares de la materia. Se irradia una muestra con luz y, mediante mediciones, se determina en qué longitudes de onda se absorbe. Dado que cada molécula absorbe luz únicamente en una longitud de onda muy específica en función de su estructura, el espectro de absorción resultante actúa como una huella molecular. Sin embargo, en el caso de moléculas individuales, esta señal es infinitesimal y, en su mayor parte, indistinguible del ruido. Mediante un ingenioso recurso de la física cuántica, el equipo dirigido por Philipp Schindler, del Departamento de Física Experimental de la Universidad de Innsbruck, ha logrado medir el espectro de una sola molécula de hidróxido de calcio.
La idea básica se inspira en el procesamiento de información cuántica. En una técnica conocida como espectroscopia de lógica cuántica, dos iones se acoplan a través de su repulsión eléctrica: un ion molecular de difícil acceso y un átomo auxiliar fácilmente controlable se mueven juntos en una trampa de iones, intercambiando información en el proceso. De este modo, las técnicas desarrolladas originalmente para ordenadores cuánticos pueden aplicarse a moléculas que, de otro modo, serían difíciles de estudiar con métodos convencionales.
Poniendo al gato de Schrödinger a trabajar
Cuando una molécula absorbe un único fotón infrarrojo, adquiere una cantidad minúscula de impulso —normalmente demasiado pequeña para medirse directamente—. El equipo de Innsbruck logra la sensibilidad necesaria para detectar la absorción de fotones individuales utilizando un átomo entrelazado cuánticamente como detector. «El entrelazamiento de las partículas en el denominado estado del gato de Schrödinger hace que el sistema sea extremadamente sensible a las perturbaciones más leves», explica Zhenlin Wu, autor principal del estudio. «Este estado del gato permite medir el minúsculo retroceso del fotón absorbido».
Mediante este método, el equipo de investigación identificó una vibración molecular característica —la vibración de estiramiento O-H— del ion molecular de hidróxido de calcio con carga simple. El espectro medido por el grupo concuerda bien con los cálculos teóricos realizados por colaboradores de la Universidad de Varsovia.
Una molécula bajo una sonda cuántica
Una ventaja clave de este método es que no es destructivo: el ion molecular no se destruye ni se altera químicamente durante el análisis. Como resultado, permite la medición y la preparación de estados cuánticos en una amplia variedad de especies moleculares, allanando el camino para la espectroscopia precisa de moléculas complejas y una amplia gama de aplicaciones en futuras tecnologías cuánticas.
Philipp Schindler sentó las bases de esta investigación con una beca ERC Starting Grant recibida en 2020 por su trabajo sobre sistemas cuánticos complejos, en el marco de la cual su equipo desarrolló métodos para controlar moléculas poliatómicas en trampas de iones. La investigación actual ha sido financiada por el Fondo Austriaco para la Ciencia (FWF), la Fundación Betty y Gordon Moore y la Agencia Austriaca de Fomento de la Investigación (FFG), entre otros.
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