Uma molécula, muitos sinais: como os investigadores distinguem os estímulos
Que processo de excitação está por trás de cada sinal de medição?
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As moléculas podem ser colocadas nos mais diversos estados quânticos. Como é possível distinguir esses estados nas medições, quando os modelos teóricos não são fiáveis? Que processo de excitação está por trás de cada sinal de medição?
Foi precisamente estas questões que o Dr. Arnab Banerjee teve de enfrentar quando analisou moléculas individuais de cobalto-ceno através da espectroscopia de tunelamento. Os espectros medidos revelaram uma variedade confusa de excitações. Juntamente com quatro colegas em Kiel e em San Sebastián (Espanha), conseguiu descodificar os dados de uma nova forma. Os resultados foram recentemente publicados na revista «Physical Review Letters» e destacados pelos editores através de uma «Editors’ Suggestion».
O que se esconde por trás dos picos
A molécula de cobalto-ceno foi estudada numa superfície de chumbo que se torna supercondutora a temperaturas muito baixas, ou seja, conduz corrente sem resistência. Para tal, a equipa utilizou um microscópio de tunelamento de varredura. Aproximaram a ponta metálica do microscópio da molécula de tal forma que os eletrões pudessem ultrapassar a minúscula distância até à molécula. Ao alterarem a energia dos eletrões e registarem a corrente que fluía nesse processo, os investigadores obtiveram um espectro: Um aumento repentino da corrente indica que, na energia em questão, é desencadeado um processo na molécula. No entanto, um salto por si só ainda não revela qual o processo exato que está por trás disso, e a situação torna-se particularmente confusa quando surgem muitas excitações diferentes no mesmo espectro.
Para distinguir os sinais, a equipa fez circular eletrões para dentro e para fora da molécula e analisou adicionalmente o efeito de um forte campo magnético. A combinação destes dois fatores revela o tipo de excitação, seja uma oscilação da molécula, uma inversão do spin de um eletrão ou o salto de um eletrão entre diferentes orbitais.
Um olhar para o interior da molécula
As medições não se limitam a indicar em que energias ocorrem as excitações. A distribuição espacial da probabilidade de excitação também foi determinada com resolução submolecular. Através de uma comparação com os resultados de cálculos complexos (teoria do funcional da densidade, extensão dependente do tempo TDDFT), a atribuição dos sinais de medição aos estados moleculares envolvidos foi ainda mais confirmada.
«As moléculas são sistemas quânticos. Para controlar os seus estados e, eventualmente, utilizá-las como componentes de computadores quânticos, as baixas temperaturas são indispensáveis», afirma o Dr. Alexander Weismann, coautor do estudo. «Atualmente, o departamento de Física de Kiel está a investigar fenómenos quânticos de vanguarda no âmbito do KiNSIS – Kiel Nano, Surface and Interface Science. Espero que a CAU não abandone este campo promissor.»
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