Un laboratorio quantistico per le molecole
La spettroscopia quantistica non distruttiva rivela le impronte molecolari
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In un articolo pubblicato su *Nature*, i ricercatori dell’Università di Innsbruck, in Austria, hanno presentato un nuovo metodo quantistico per l’analisi di singole molecole. Amplificando, secondo i principi della meccanica quantistica, la quantità di moto di rinculo generata da un singolo fotone assorbito, il gruppo di ricerca guidato da Philipp Schindler è riuscito a rilevare e misurare tale assorbimento in un singolo ione di idrossido di calcio.
Da decenni la luce viene utilizzata per comprendere le strutture molecolari della materia. Un campione viene irradiato con luce e le misurazioni determinano a quali lunghezze d’onda essa viene assorbita. Poiché ogni molecola assorbe la luce solo a lunghezze d’onda molto specifiche a seconda della propria struttura, lo spettro di assorbimento risultante funge da impronta digitale molecolare. Per le singole molecole, tuttavia, questo segnale è infinitesimale e per lo più indistinguibile dal rumore. Utilizzando un ingegnoso espediente della fisica quantistica, il team guidato da Philipp Schindler del Dipartimento di Fisica Sperimentale dell’Università di Innsbruck è ora riuscito a misurare lo spettro di una singola molecola di idrossido di calcio.
L’idea di base attinge all’elaborazione quantistica dell’informazione. In una tecnica nota come spettroscopia logica quantistica, due ioni vengono accoppiati tramite la loro repulsione elettrica: uno ione molecolare di difficile accesso e un atomo ausiliario facilmente controllabile si muovono insieme in una trappola ionica, scambiandosi informazioni nel processo. In questo modo, tecniche originariamente sviluppate per i computer quantistici possono essere applicate a molecole che altrimenti sarebbero difficili da studiare con metodi convenzionali.
Mettere al lavoro il gatto di Schrödinger
Quando una molecola assorbe un singolo fotone infrarosso, acquisisce una quantità minuscola di quantità di moto — normalmente troppo piccola per essere misurata direttamente. Il team di Innsbruck raggiunge la sensibilità necessaria per rilevare l’assorbimento di singoli fotoni utilizzando come rivelatore un atomo intrecciato quantisticamente. «L’entanglement delle particelle in un cosiddetto stato del gatto di Schrödinger rende il sistema estremamente sensibile alle più lievi perturbazioni», spiega Zhenlin Wu, autore principale dello studio. «Il minuscolo rinculo del fotone assorbito diventa misurabile grazie a questo stato del gatto.»
Utilizzando questo metodo, il gruppo di ricerca ha identificato una vibrazione molecolare caratteristica — la vibrazione di stiramento O-H — dello ione molecolare di idrossido di calcio con carica singola. Lo spettro misurato dal gruppo concorda bene con i calcoli teorici effettuati dai collaboratori dell’Università di Varsavia.
Una molecola sotto la lente di una sonda quantistica
Un vantaggio fondamentale di questo metodo è la sua natura non distruttiva: lo ione molecolare non viene né distrutto né alterato chimicamente durante l’analisi. Di conseguenza, esso consente la misurazione e la preparazione di stati quantistici in un’ampia varietà di specie molecolari, aprendo la strada a una spettroscopia precisa di molecole complesse e a una vasta gamma di applicazioni nelle future tecnologie quantistiche.
Philipp Schindler ha gettato le basi per questa ricerca grazie a una sovvenzione ERC Starting Grant ricevuta nel 2020 per il suo lavoro sui sistemi quantistici complessi, nell’ambito del quale il suo team ha sviluppato metodi per il controllo di molecole poliatomiche in trappole ioniche. La ricerca attuale è stata finanziata, tra gli altri, dal Fondo austriaco per la scienza (FWF), dalla Fondazione Betty e Gordon Moore e dall’Agenzia austriaca per la promozione della ricerca (FFG).
Nota: questo articolo è stato tradotto utilizzando un sistema informatico senza intervento umano. LUMITOS offre queste traduzioni automatiche per presentare una gamma più ampia di notizie attuali. Poiché questo articolo è stato tradotto con traduzione automatica, è possibile che contenga errori di vocabolario, sintassi o grammatica. L'articolo originale in Inglese può essere trovato qui.
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