Des physiciens trouvent un moyen de contrôler les molécules chargées grâce à la logique quantique
Une infographie de la technique NIST pour le contrôle quantique des molécules. Crédit :Hanacek/NIST
Les physiciens du National Institute of Standards and Technology (NIST) ont résolu le casse-tête apparemment insoluble de la façon de contrôler les propriétés quantiques des molécules chargées individuelles, ou des ions moléculaires. La solution est d'utiliser le même type de "logique quantique" qui pilote une horloge atomique expérimentale du NIST.
La nouvelle technique atteint un objectif insaisissable, contrôler les molécules aussi efficacement que le refroidissement laser et d'autres techniques peuvent contrôler les atomes. Le contrôle quantique des atomes a révolutionné la physique atomique, conduisant à des applications telles que les horloges atomiques. Mais le refroidissement laser et le contrôle des molécules sont extrêmement difficiles car ils sont beaucoup plus complexes que les atomes.
La technique du NIST utilise toujours un laser, mais seulement pour sonder doucement la molécule; son état quantique est détecté indirectement. Ce type de contrôle des ions moléculaires - plusieurs atomes liés entre eux et porteurs d'une charge électrique - pourrait conduire à des architectures plus sophistiquées pour le traitement de l'information quantique, amplifier des signaux dans la recherche en physique fondamentale comme la mesure de la « rondeur » de la forme de l'électron, et renforcer le contrôle des réactions chimiques.
La recherche est décrite dans le numéro du 11 mai de La nature et a été réalisée dans le groupe NIST Boulder qui a démontré le premier refroidissement laser d'ions atomiques en 1978.
« Nous avons développé des méthodes applicables à de nombreux types de molécules, " Le physicien du NIST James ChinwenChou a déclaré. " Quel que soit le tour que vous puissiez jouer avec les ions atomiques, il est désormais à portée de main avec les ions moléculaires. en effet, 'Que voulez-vous que je fasse?'"
"C'est comparable au moment où les scientifiques pouvaient pour la première fois refroidir et piéger des atomes au laser, ouvrant les portes des applications en métrologie de précision et en traitement de l'information. C'est notre rêve de réaliser toutes ces choses avec des molécules, " ajouta Chou.
Par rapport aux atomes, les molécules sont plus difficiles à contrôler car elles ont des structures plus complexes impliquant de nombreux niveaux d'énergie électronique, vibrations et rotations. Les molécules peuvent être constituées de nombreux nombres et combinaisons différents d'atomes et être aussi grosses que des brins d'ADN de plus d'un mètre de long.
La méthode NIST trouve l'état quantique (électronique, vibratoire, et rotationnel) de l'ion moléculaire en transférant l'information à un deuxième ion, dans ce cas un ion atomique, qui peuvent être refroidis au laser et contrôlés avec des techniques connues antérieurement. Emprunter des idées à l'horloge logique quantique du NIST, les chercheurs tentent de manipuler l'ion moléculaire et, en cas de succès, déclencher un mouvement synchronisé dans la paire d'ions. La manipulation est choisie de telle sorte qu'elle ne puisse déclencher le mouvement que si la molécule est dans un certain état. La réponse "oui" ou "non" est signalée par l'ion atomique. La technique est très douce, indiquant les états quantiques de la molécule sans les détruire.
"La molécule ne tremble que si elle est dans le bon état. L'atome ressent ce tremblement et peut transférer le tremblement en un signal lumineux que nous pouvons capter, " a déclaré l'auteur principal Dietrich Leibfried. " C'est comme le braille, qui permet aux gens de sentir ce qui est écrit au lieu de le voir. Nous ressentons l'état de la molécule au lieu de le voir et l'ion atomique est notre doigt microscopique qui nous permet de le faire."
