Un nuevo microscopio opera en un estado cuántico de un solo electrón

Físicos de la Universidad de Ratisbona han encontrado una manera de sintonizar el estado cuántico de electrones individuales utilizando un microscopio con resolución atómica. Los resultados del estudio han sido publicados ahora en la revista naturaleza.

Nosotros, y todo lo que nos rodea, estamos compuestos de moléculas. Las moléculas son tan pequeñas que incluso una bolsa de polvo contiene un número infinito de ellas. Ahora es posible modelar con precisión tales moléculas con un microscopio de fuerza atómica, que funciona de manera muy diferente a un microscopio óptico: se basa en detectar pequeñas fuerzas entre una punta y la molécula bajo estudio.

Con este tipo de microscopio, también se pueden obtener imágenes de la estructura interna de una molécula. Aunque uno pueda observar una molécula de esta manera, eso no significa conocer todas sus diversas propiedades. Por ejemplo, es muy difícil determinar de qué tipo de átomos se compone una molécula.

Afortunadamente, existen otras herramientas que pueden determinar la estructura de las moléculas. Uno de ellos es la resonancia de espín electrónico, que se basa en los mismos principios que los escáneres de resonancia magnética en medicina. Sin embargo, en la resonancia de espín electrónico normalmente se necesitan numerosas moléculas para obtener una señal que sea lo suficientemente grande como para ser detectada. De esta forma, no se puede acceder a las propiedades de cada molécula, sino sólo a su promedio.

Investigadores de la Universidad de Ratisbona, dirigidos por el Prof. Dr. Jascha Rapp del Instituto de Física Experimental y Aplicada de la UR, han integrado la resonancia de espín electrónico en la microscopía de fuerza atómica.

En particular, la resonancia del espín electrónico se detecta directamente con la punta del microscopio, ya que la señal proviene de una sola molécula individual. De esta manera, pueden caracterizar moléculas individuales de forma uno a uno. Esto permite determinar qué átomos forman la molécula.

«Podemos distinguir incluso moléculas que no se diferencian en el tipo de átomos que las componen, sino sólo en sus isótopos, es decir, en la composición de los núcleos atómicos», afirma Lisan Celes, primera autora del estudio. , primer autor del estudio.

«Sin embargo, también estamos interesados ​​en otra posibilidad que implica la resonancia de espín electrónico. Esta técnica puede usarse para manipular el estado cuántico de espín de los electrones en la molécula», dice el profesor Dr. Rapp.

Una computadora cuántica almacena y procesa información codificada en un estado cuántico. Para realizar los cálculos, se requieren computadoras cuánticas que manipulen el estado cuántico sin perder información mediante la llamada decoherencia. Los investigadores de Ratisbona demostraron que con su nueva técnica pueden manipular el estado cuántico del espín en una sola molécula muchas veces antes de que se forme el estado.

Dado que las técnicas de microscopía permiten obtener imágenes de vecindades individuales de moléculas, las técnicas recientemente desarrolladas pueden ayudar a comprender cómo la decoherencia en una computadora cuántica depende del entorno a escala atómica y, en última instancia, cómo evitarla.