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

Cuando se irradian con luz infrarroja, ciertas moléculas, como las ftalocianinas metálicas, vibran y generan pequeños campos magnéticos localizados. Los investigadores han calculado estos efectos y pretenden probar y manipular experimentalmente estos campos para posibles aplicaciones en la computación cuántica. Crédito: SciTechDaily.com

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 potencialmente en circuitos informáticos cuánticos.

Cuando las moléculas absorben la luz infrarroja, comienzan a vibrar a medida que reciben la 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. Dado que los núcleos atómicos tienen una carga positiva, el movimiento de estas partículas cargadas da como resultado la creación de un campo magnético.

Tomando como ejemplo las ftalocianinas metálicas, moléculas colorantes planas con forma de anillo, Andreas Hauser y su equipo han calculado que, debido a su alta simetría, estas moléculas generan en realidad 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 el 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 tenían décadas de antigüedad, y utilizó la teoría moderna de la estructura electrónica 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 en forma de hélice, excitaron dos vibraciones moleculares al mismo tiempo en ángulo recto entre sí.

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

«Como toda pareja de rumba sabe, la combinación correcta de adelante-atrás e izquierda-derecha crea un círculo pequeño y 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.

Manipulando selectivamente la luz infrarroja es posible incluso controlar la fuerza y ​​la dirección del campo magnético, explica Andreas Hauser. Esto convierte 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 fija en dos vibraciones (roja y azul), lo que crea 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 de 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 deben calcular las interacciones entre las ftalocianinas depositadas, el material de soporte y la luz infrarroja antes de probar las variantes más prometedoras en los 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.