Físicos da Universidade de Regensburg descobriram uma maneira de manipular o estado quântico de elétrons individuais usando um microscópio com resolução atômica. Os resultados do estudo foram publicados na renomada revista Nature. Isso terá potencialmente enormes implicações para a computação quântica.
Ilustração artística da integração da ressonância do spin do elétron na microscopia de força atômica. Fonte da imagem: Eugenio Vázquez
Como você sabe, o mundo ao nosso redor consiste em moléculas. As moléculas são tão pequenas que até mesmo uma partícula de poeira contém um número incontável delas. É ainda mais surpreendente que agora seja possível estudar com alta precisão não apenas as moléculas, mas até mesmo os átomos que as compõem, usando um microscópio. A mais nova invenção dos físicos é chamada de “microscópio de força atômica”. Ao contrário de um microscópio óptico, um microscópio de força atômica opera segundo princípios diferentes: seu funcionamento é baseado na sensibilidade das menores forças entre a ponta do dispositivo e a molécula que está sendo estudada. Com essa abordagem de pesquisa é possível obter uma “imagem” da estrutura interna da molécula. Porém, observando uma molécula desta forma, não se pode afirmar com certeza que o método permite conhecer todas as suas propriedades. Por exemplo, agora é muito difícil determinar em quais átomos consiste uma molécula.
Felizmente, existem outras ferramentas que permitem determinar a composição das moléculas. Um desses métodos é a ressonância de spin eletrônico, que se baseia nos mesmos princípios da ressonância magnética na medicina. No entanto, com a ressonância de spin do elétron, normalmente é necessário um número incontável de moléculas para produzir um sinal poderoso o suficiente para ser detectado. Assim, não se pode acessar as propriedades de cada molécula, mas apenas o seu valor médio.
Pesquisadores da Universidade de Regensburg, liderados pelo professor Dr. Jascha Repp do Instituto de Física Experimental e Aplicada, integraram agora a ressonância do spin do elétron na microscopia de força atômica. Deve-se notar especialmente que a ressonância do spin do elétron é registrada diretamente usando a ponta do microscópio, de modo que o sinal vem de apenas uma molécula individual. Dessa forma, os cientistas podem caracterizar moléculas individuais. Isso possibilitou determinar imediatamente quais átomos constituíam a molécula que estavam estudando. “Conseguimos até distinguir moléculas que diferem não no tipo de átomos de que são feitas, mas apenas nos seus isótopos, ou seja, na composição dos núcleos atómicos”, acrescenta Lisanne Sellies, primeira autora deste estudo.
«No entanto, ficamos ainda mais intrigados com outra possibilidade, que é a ressonância do spin do elétron”, explica o professor Repp. “Esta técnica pode ser usada para controlar o estado spin-quântico dos elétrons presentes em uma molécula.” Isto é mostrado na figura por pequenas setas coloridas. Mas por que isso é interessante?
Os computadores quânticos armazenam e processam informações codificadas em um estado quântico. Para realizar cálculos, os computadores quânticos precisam manipular um estado quântico sem perder informações através de algo chamado decoerência. Vale ressaltar aqui que a decoerência é um processo de ruptura da própria coerência (a conexão entre duas partículas quânticas emaranhadas), causado pela interação de um sistema mecânico quântico com o meio ambiente por meio de um processo irreversível do ponto de vista da termodinâmica. .
Pesquisadores de Regensburg mostraram que com sua nova técnica eles podem manipular o estado quântico do spin em uma única molécula muitas vezes antes que o estado decaia. Como a microscopia pode gerar imagens de vizinhanças específicas de uma molécula, a nova técnica pode ajudar a entender como a decoerência em um computador quântico depende do ambiente atômico e, em última análise, como evitá-la. E este é o caminho para cálculos quânticos mais simples e, o mais importante, mais precisos.