Como os investigadores provocam vibrações «proibidas» em moléculas isoladas
Medir a mesma molécula repetidamente
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A possibilidade de controlar excitações «proibidas» de vibrações em moléculas poderia constituir a base de relógios extremamente precisos, bits quânticos e testes precisos das leis fundamentais da física. Investigadores da Universidade de Basileia deram agora um passo importante: identificaram e controlaram essas transições «proibidas» em moléculas isoladas de azoto, sem as destruir.
O brilho verde da aurora boreal provém de um salto quântico a que os físicos chamam «proibido». O termo é um pouco enganador, uma vez que tais transições entre os níveis de energia de átomos e moléculas não são impossíveis, apenas extremamente improváveis. Essas excitações podem ser mais de mil milhões de vezes mais fracas do que as transições «permitidas» comuns.
No entanto, é precisamente esta fraqueza que as torna tão valiosas. Uma transição proibida pode ter uma frequência extraordinariamente bem definida. Nos átomos, essas transições já estão na base dos relógios mais precisos da atualidade. Nas moléculas, com os seus níveis de energia muito mais complexos, têm-se mantido muito difíceis de encontrar e controlar.
Agora, uma equipa de investigação liderada pelo professor Stefan Willitsch, do Departamento de Química da Universidade de Basileia, identificou e controlou de forma coerente essas transições em moléculas isoladas. Os resultados foram publicados na revista *Nature Communications*.
Um ião de cálcio como mensageiro
A equipa estudou moléculas individuais de azoto que transportam uma carga elétrica positiva, conhecidas como iões moleculares. Em 2014, o grupo de Willitsch foi o primeiro a observar vibrações proibidas num ião molecular, mas o método de deteção química utilizado na altura destruía a amostra de moléculas em cada ciclo de medição.
«Para alcançar a máxima precisão, é muito melhor realizar experiências com moléculas individuais, sem as perder no processo», afirma Stefan Willitsch.
Para o conseguir, os investigadores recorreram a uma técnica denominada espectroscopia de lógica quântica, na qual um segundo ião atua como mensageiro. Eles capturam uma única molécula de azoto carregada juntamente com um átomo de cálcio carregado. A molécula de azoto não emite luz que os investigadores possam detetar facilmente, mas o átomo de cálcio pode ser feito brilhar com luz laser.
Um laser cuidadosamente sintonizado coloca o par em movimento apenas se a molécula de azoto se encontrar no seu estado de energia mais baixo de vibração e rotação. Ao observar a resposta do ião de cálcio, os investigadores obtêm informações sobre o estado da molécula de azoto sem o alterar.
Medir a mesma molécula repetidamente
Para encontrar as frequências de luz que excitam as vibrações «proibidas» da molécula, a equipa variou a frequência de outro laser. Na frequência certa, um pulso de laser excita a vibração e um segundo pulso devolve a molécula ao seu estado inicial. Como o processo é reversível, a mesma molécula pode ser medida repetidamente.
«Utilizar a mesma molécula repetidamente foi crucial. Isso tornou viável a procura por linhas tão ténues», afirma o Dr. Aleksandr Shlykov, primeiro autor do estudo. Estas linhas espectrais marcam as frequências nas quais a molécula absorve luz.
Combinando medições em várias centenas de moléculas preparadas individualmente, a equipa identificou diferentes componentes da transição. Isto permitiu-lhes determinar a frequência vibracional fundamental da molécula com uma precisão dez vezes superior à das medições anteriores.
Dos relógios moleculares à nova física
Prevê-se que várias destas transições estudadas sejam notavelmente insensíveis a perturbações externas. Esta estabilidade torna-as úteis como referências precisas para medir o tempo.
«Isto torna-as candidatas altamente promissoras para futuros relógios moleculares e qubits», afirma Stefan Willitsch.
A medição precisa das vibrações moleculares também poderá ajudar a testar leis fundamentais da física. Os investigadores poderão testar, por exemplo, se as massas dos protões e dos eletrões se mantêm constantes ao longo do tempo.
Observação: Este artigo foi traduzido usando um sistema de computador sem intervenção humana. A LUMITOS oferece essas traduções automáticas para apresentar uma gama mais ampla de notícias atuais. Como este artigo foi traduzido com tradução automática, é possível que contenha erros de vocabulário, sintaxe ou gramática. O artigo original em Inglês pode ser encontrado aqui.
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