Los físicos descubren un nuevo camino hacia la computación cuántica: la iluminación infrarroja

Los físicos de TU Graz han determinado que ciertas moléculas pueden ser estimuladas por pulsos de luz infrarroja para generar pequeños campos magnéticos. Si las pruebas experimentales también tienen éxito, esta técnica podría aplicarse a circuitos informáticos cuánticos.

Cuando las moléculas absorben luz infrarroja, comienzan a vibrar a medida que reciben energía. Andreas Hauser, del Instituto de Física Experimental de la Universidad Tecnológica de Graz (TU Graz), utilizó este proceso bien conocido como base para explorar si estas vibraciones podrían aprovecharse para producir campos magnéticos. Como los núcleos atómicos tienen carga positiva, el movimiento de estas partículas cargadas da como resultado la creación de un campo magnético.

Utilizando el ejemplo de las ftalocianinas metálicas (moléculas de tinte planas y con forma de anillo), Andreas Hauser y su equipo han calculado que, debido a su alta simetría, estas moléculas en realidad generan pequeños campos magnéticos en el rango de los nanómetros cuando actúan sobre ellas pulsos infrarrojos.

Según los cálculos, debería ser posible medir la intensidad del campo, bastante baja pero muy localizada con precisión, mediante espectroscopía de resonancia magnética nuclear. Los investigadores publicaron sus resultados en Revista de la Sociedad Química Estadounidense.

Danza circular de moléculas.

Para los cálculos, el equipo se basó en trabajos preliminares de los primeros días de la espectroscopia láser, algunos de los cuales tienen décadas de antigüedad, y utilizó la teoría moderna de estructuras electrónicas en supercomputadoras del Vienna Scientific Cluster y TU Graz para calcular cómo se comportan las moléculas de ftalocianina cuando se irradian. con luz infrarroja polarizada circularmente. Lo que sucedió fue que las ondas de luz polarizadas circularmente, es decir, retorcidas helicoidalmente, excitan dos vibraciones moleculares al mismo tiempo, formando ángulos rectos entre sí.

Andreas Hauser del Instituto de Física Experimental de la TU Graz. Crédito: Lunghammer – TU Graz

“Como sabe toda pareja que baila rumba, la combinación correcta de adelante-atrás e izquierda-derecha crea un pequeño circuito cerrado. Y este movimiento circular de cada núcleo atómico afectado crea en realidad un campo magnético, pero sólo de forma muy local, con dimensiones del orden de unos pocos nanómetros”, afirma Andreas Hauser.

Moléculas como circuitos en computadoras cuánticas.

Mediante la manipulación selectiva de la luz infrarroja es posible incluso controlar la fuerza y ​​la dirección del campo magnético, explica Andreas Hauser. Esto convertiría las moléculas en interruptores ópticos de alta precisión, que quizás también podrían usarse para construir circuitos para una computadora cuántica.

Representación esquemática de una molécula de ftalocianina metálica que se coloca en dos vibraciones (roja y azul), creando un momento dipolar eléctrico giratorio (verde) en el plano molecular y por tanto un campo magnético. Crédito: Wilhelmer/Diez/Krondorfer/Hauser – TU Graz

Experimentos como siguiente paso.

Junto con colegas del Instituto de Física del Estado Sólido de la TU Graz y un equipo de la Universidad de Graz, Andreas Hauser quiere demostrar experimentalmente que se pueden generar campos magnéticos moleculares de forma controlada.

“A modo de prueba, pero también para futuras aplicaciones, es necesario colocar la molécula de ftalocianina sobre una superficie. Sin embargo, esto cambia las condiciones físicas, lo que a su vez influye en la excitación inducida por la luz y en las características del campo magnético”, explica Andreas Hauser. «Por eso queremos encontrar un material de soporte que tenga un impacto mínimo en el mecanismo deseado».

En el siguiente paso, el físico y sus colegas quieren calcular las interacciones entre las ftalocianinas depositadas, el material de soporte y la luz infrarroja antes de probar las variantes más prometedoras en experimentos.

Referencia: “Pseudorotación molecular en ftalocianinas como herramienta para el control del campo magnético a nanoescala” por Raphael Wilhelmer, Matthias Diez, Johannes K. Krondorfer y Andreas W. Hauser, 14 de mayo de 2024, Revista de la Sociedad Química Estadounidense.
DOI: 10.1021/jacs.4c01915

El estudio fue financiado por el Fondo Austriaco para la Ciencia.