Hibridação molecular através do vácuo
As interações entre átomos e moléculas são facilitadas por campos electromagnéticos. Quanto maior for a distância entre os parceiros envolvidos, mais fracas são estas interações mútuas. Para que as partículas possam formar ligações químicas naturais, a distância entre elas deve ser aproximadamente igual ao seu diâmetro. Utilizando um ressonador ótico que altera fortemente o vácuo quântico, os cientistas do Instituto Max Planck para a Ciência da Luz (MPL) conseguiram, pela primeira vez, "ligar" opticamente várias moléculas a distâncias maiores.
Os físicos estão assim a criar experimentalmente estados sintéticos de moléculas acopladas, estabelecendo assim a base para o desenvolvimento de novos estados híbridos de luz e matéria.
Os átomos e as moléculas têm níveis de energia discretos e claramente definidos. Quando são combinados para formar uma nova molécula, os estados de energia alteram-se. Este processo é designado por hibridação molecular e é caracterizado pela sobreposição de orbitais electrónicos, ou seja, as áreas onde os electrões residem tipicamente. No entanto, a uma escala de alguns nanómetros, a interação torna-se tão fraca que as moléculas deixam de poder comunicar entre si
Uma equipa dirigida pelo Professor Vahid Sandoghdar, diretor do MPL e chefe da divisão "Nano-Optics", conseguiu, pela primeira vez, acoplar moléculas separadas espacialmente através de um campo de vácuo modificado num microrressonador ótico.
No interior de um microrressonador plano-côncavo de alta qualidade, ou seja, entre dois espelhos de qualidade excecional, a luz pode ser armazenada durante um longo período de tempo. Os cientistas inserem um microcristal de antraceno dopado com moléculas de corantes específicos no ressonador, que tem apenas alguns micrómetros de diâmetro. Utilizando espetroscopia laser de alta resolução, a equipa investiga então a interação das moléculas e a sua hibridação com o modo do ressonador. O aparecimento de novas caraterísticas no espetro resultante indica alterações nos estados de energia molecular, tais como os chamados modos sub-radiante e super-radiante: Os estados subradiantes emitem menos fortemente do que antes, enquanto os estados superradiantes interagem mais fortemente com a luz.
Uma consequência notável da hibridização de duas moléculas é que elas podem ser elevadas ao estado excitado simultaneamente. Isto significa que já não são completamente independentes uma da outra. Para tal, são absorvidos dois fotões do ressoador. Neste trabalho, pela primeira vez, há uma excitação de dois fotões de duas moléculas que estão muito afastadas. Isoladamente, cada fotão não apresenta qualquer efeito - mas em conjunto activam as duas moléculas simultaneamente. Nem as moléculas nem os fotões podem atuar sozinhos - mas em harmonia, conseguem.
Sandoghdar: "Os estados quânticos são normalmente muito frágeis, pelo que é um desafio acoplar várias moléculas."
"O nosso trabalho estabelece as bases para o desenvolvimento de novos estados em que as partículas materiais, como as moléculas, são 'coladas' com a luz. A investigação de um número precisamente definido de emissores em interação é também um elemento importante para o processamento de informação quântica e, por conseguinte, de grande interesse para a tecnologia quântica", acrescenta Sandoghdar.
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