Cómo los investigadores provocan vibraciones «prohibidas» en moléculas individuales
Medir la misma molécula repetidamente
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La posibilidad de controlar las excitaciones «prohibidas» de las vibraciones en las moléculas podría sentar las bases para la creación de relojes de extrema precisión, bits cuánticos y pruebas precisas de las leyes fundamentales de la física. Investigadores de la Universidad de Basilea han dado ahora un paso importante: han identificado y controlado esas transiciones «prohibidas» en moléculas de nitrógeno aisladas sin destruirlas.
El resplandor verde de la aurora boreal proviene de un salto cuántico que los físicos denominan «prohibido». El término resulta un poco engañoso, ya que tales transiciones entre los niveles de energía de los átomos y las moléculas no son imposibles, sino solo extremadamente improbables. Estas excitaciones pueden ser más de mil millones de veces más débiles que las transiciones «permitidas» habituales.
Sin embargo, esta debilidad es también lo que las hace tan valiosas. Una transición prohibida puede tener una frecuencia extraordinariamente bien definida. En los átomos, estas transiciones ya son la base de los relojes más precisos que existen hoy en día. En las moléculas, con sus niveles de energía mucho más complejos, han seguido siendo muy difíciles de detectar y controlar.
Ahora, un equipo de investigación dirigido por el profesor Stefan Willitsch, del Departamento de Química de la Universidad de Basilea, ha identificado y controlado de forma coherente estas transiciones en moléculas individuales atrapadas. Los resultados se han publicado en la revista *Nature Communications*.
Un ion de calcio como mensajero
El equipo estudió moléculas individuales de nitrógeno que portan una carga eléctrica positiva, conocidas como iones moleculares. En 2014, el grupo de Willitsch fue el primero en observar vibraciones prohibidas en un ion molecular, pero el método de detección química utilizado en aquel momento destruía la muestra de moléculas en cada ciclo de medición.
«Para lograr la máxima precisión, es mucho mejor realizar experimentos con moléculas individuales y no perderlas en el proceso», afirma Stefan Willitsch.
Para lograrlo, los investigadores recurrieron a una técnica denominada espectroscopia de lógica cuántica, en la que un segundo ion actúa como mensajero. Atraparon una sola molécula de nitrógeno cargada junto con un átomo de calcio cargado. La molécula de nitrógeno no emite luz que los investigadores puedan detectar fácilmente, pero se puede hacer que el átomo de calcio brille con luz láser.
Un láser cuidadosamente ajustado pone en movimiento al par solo si la molécula de nitrógeno se encuentra en su estado energético más bajo de vibración y rotación. Al observar la respuesta del ion de calcio, los investigadores obtienen información sobre el estado de la molécula de nitrógeno sin alterarlo.
Medición repetida de la misma molécula
Para encontrar las frecuencias de luz que excitan las vibraciones «prohibidas» de la molécula, el equipo varió la frecuencia de otro láser. A la frecuencia adecuada, un pulso láser excita la vibración, y un segundo pulso devuelve la molécula a su estado inicial. Dado que el proceso es reversible, la misma molécula puede medirse repetidamente.
«Utilizar la misma molécula una y otra vez fue crucial. Hizo factible la búsqueda de líneas tan tenues», afirma el Dr. Aleksandr Shlykov, primer autor del estudio. Estas líneas espectrales marcan las frecuencias a las que la molécula absorbe la luz.
Combinando mediciones realizadas en varios cientos de moléculas preparadas individualmente, el equipo identificó diferentes componentes de la transición. Esto les permitió determinar la frecuencia vibratoria fundamental de la molécula con una precisión diez veces mayor que en mediciones anteriores.
De los relojes moleculares a la nueva física
Se prevé que varias de estas transiciones estudiadas sean notablemente insensibles a las perturbaciones externas. Esta estabilidad las hace útiles como referencias precisas para medir el tiempo.
«Esto las convierte en candidatas muy prometedoras para futuros relojes moleculares y qubits», afirma Stefan Willitsch.
La medición precisa de las vibraciones moleculares también podría ayudar a comprobar leyes fundamentales de la física. Los investigadores podrían comprobar, por ejemplo, si las masas de los protones y los electrones se mantienen constantes a lo largo del tiempo.
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