Um laboratório quântico para moléculas
A espectroscopia de lógica quântica não destrutiva revela «impressões digitais» moleculares
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Num artigo publicado na revista *Nature*, investigadores da Universidade de Innsbruck, na Áustria, apresentaram um novo método quântico para analisar moléculas individuais. Ao amplificar, através da mecânica quântica, o momento de recuo de um único fotão absorvido, o grupo de investigação liderado por Philipp Schindler conseguiu detetar e medir essa absorção num único ião de hidróxido de cálcio.
Há décadas que a luz tem sido utilizada para compreender as estruturas moleculares da matéria. Uma amostra é irradiada com luz e as medições determinam em que comprimentos de onda esta é absorvida. Uma vez que cada molécula absorve luz apenas num comprimento de onda muito específico, dependendo da sua estrutura, o espectro de absorção resultante funciona como uma impressão digital molecular. No caso de moléculas individuais, porém, este sinal é extremamente fraco e, na maioria das vezes, indistinguível do ruído. Utilizando um elegante truque da física quântica, a equipa liderada por Philipp Schindler, do Departamento de Física Experimental da Universidade de Innsbruck, conseguiu agora medir o espectro de uma única molécula de hidróxido de cálcio.
A ideia básica inspira-se no processamento de informação quântica. Numa técnica conhecida como espectroscopia de lógica quântica, dois iões são acoplados através da sua repulsão elétrica: um ião molecular de difícil acesso e um átomo auxiliar facilmente controlável movem-se em conjunto numa armadilha de iões, trocando informação durante o processo. Desta forma, técnicas originalmente desenvolvidas para computadores quânticos podem ser aplicadas a moléculas que, de outra forma, seriam difíceis de estudar utilizando métodos convencionais.
Colocar o gato de Schrödinger a trabalhar
Quando uma molécula absorve um único fotão infravermelho, ganha uma quantidade ínfima de momento — normalmente demasiado pequena para ser medida diretamente. A equipa de Innsbruck alcança a sensibilidade necessária para detetar a absorção de fotões individuais utilizando um átomo entrelaçado quânticamente como detetor. «O entrelaçamento das partículas num estado denominado “gato de Schrödinger” torna o sistema extremamente sensível às mais pequenas perturbações», explica Zhenlin Wu, autor principal do estudo. «O minúsculo recuo do fotão absorvido torna-se mensurável graças a este estado do gato.»
Utilizando este método, a equipa de investigação identificou uma vibração molecular característica — a vibração de alongamento O-H — do ião molecular de hidróxido de cálcio com carga única. O espectro medido pelo grupo está em boa concordância com os cálculos teóricos realizados por colaboradores da Universidade de Varsóvia.
Molécula sob uma sonda quântica
Uma vantagem fundamental deste método é o facto de ser não destrutivo: o ião molecular não é destruído nem alterado quimicamente durante a análise. Consequentemente, permite a medição e a preparação de estados quânticos numa ampla variedade de espécies moleculares, abrindo caminho para a espectroscopia precisa de moléculas complexas e para uma vasta gama de aplicações em futuras tecnologias quânticas.
Philipp Schindler lançou as bases para esta investigação com uma bolsa ERC Starting Grant recebida em 2020 pelo seu trabalho sobre sistemas quânticos complexos, no âmbito da qual a sua equipa desenvolveu métodos para controlar moléculas poliatómicas em armadilhas de iões. A investigação atual foi financiada pelo Fundo Austríaco para a Ciência (FWF), pela Fundação Betty e Gordon Moore e pela Agência Austríaca de Promoção da Investigação (FFG), entre outros.
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