Científicos han logrado un nuevo nivel de control sobre las moléculas, siendo capaces de manipular un ion de monohidruro de calcio – compuesto por un átomo de hidrógeno y uno de calcio. Este avance, realizado por físicos del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST), abre posibilidades para la tecnología cuántica, la investigación química y la exploración de nuevas áreas de la física.
“Para controlar una partícula, necesitamos ubicarla en un estado específico. Una molécula tiene un gran número de estados posibles debido a su rotación y vibración”, explicó Dalton Chaffee, autor principal del estudio. “Esto, en esencia, es lo que hace que las moléculas sean mucho más difíciles de controlar que los átomos.”
El equipo utilizó una técnica llamada espectroscopía de lógica cuántica
Para lograr este control, el equipo empleó una técnica denominada espectroscopía de lógica cuántica, desarrollada inicialmente para aumentar la precisión de los relojes atómicos fabricados con iones de aluminio cargados eléctricamente.
Para interactuar con su ion molecular, los investigadores utilizaron un ion de calcio como intermediario. Tramparon el ion de calcio auxiliar y la molécula de monohidruro de calcio cargada, aprovechando su repulsión natural debido a sus cargas iguales. Según un comunicado de prensa, esta interacción se puede imaginar como un resorte comprimido entre ambos.
El equipo destacó que el monohidruro de calcio no interactúa bien con el láser, pero el ion de calcio sí. Utilizando láseres, enfriaron el ion de calcio, disminuyendo su movimiento. A medida que el calcio reduce su impulso, su molécula compañera también se ralentiza. Enfriar la molécula es crucial, señaló la estudiante de posgrado April Sheffield. Además del enfriamiento láser, un ambiente frío permite a los científicos mantener el estado molecular inalterado durante diez veces más tiempo que a temperatura ambiente.
La molécula puede permanecer en su estado rotacional durante aproximadamente 18 segundos
Posteriormente, los investigadores dirigieron un láser a la molécula para modificar su rotación. Si bien no pueden determinar directamente si la molécula está rotando, el ion de calcio sí puede detectarlo. Cuando la molécula cambia de rotación, el ion de calcio auxiliar lo detecta y emite un pequeño destello de fotones, visible como un punto brillante. Al invertir la rotación de la molécula, el ion de calcio vuelve a emitir un destello, tal como se describe en el estudio.
Este doble destello del ion de calcio indica dos saltos cuánticos, o dos transiciones entre diferentes estados de la molécula. Baruch Margulis, investigador postdoctoral del NIST, expresó su satisfacción al observar este nivel de control cuántico en acción. “Así es la mecánica cuántica. En nuestro laboratorio, podemos ver con la cámara si nuestro ion está en un estado cuántico u otro, lo cual me parece fascinante”, comentó. “Es cautivador verlo con tus propios ojos.”
El equipo de investigación también reveló que la molécula puede permanecer en su estado rotacional durante aproximadamente 18 segundos antes de que la radiación térmica circundante la obligue a cambiar de estado y el ion deje de emitir destellos. Este es uno de los resultados principales de su estudio. Estos 18 segundos son importantes porque brindan a los investigadores miles de oportunidades para medir el estado de la molécula antes de que cambie.
“Es como un juego al escondite, si quieres”, explicó Margulis. “Tan pronto como la radiación térmica impulsa a la molécula a un estado diferente, los destellos de luz del ion observador cesan, y podemos observar esto casi al instante, en unos 10 milisegundos.”
Una sola observación del ion no es suficiente; los científicos verificaron repetidamente si el ion de calcio estaba brillante o apagado, confirmando que tenían control sobre el estado de la molécula y que el resultado no era casual. El equipo logró una tasa de éxito del 99.8%, lo que significa que de cada 1,000 intentos de manipular la molécula, tuvieron éxito en aproximadamente 998 ocasiones.
Este método podría permitir a los científicos utilizar una amplia gama de moléculas para tareas cuánticas específicas, explorar la física más allá del Modelo Estándar y potencialmente controlar reacciones químicas.
Las moléculas pueden servir como componentes versátiles para las tecnologías cuánticas, pero son mucho más difíciles de controlar que los átomos.
