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Físicos descubren la estructura cuántica del Buckminsterfullereno


Un equipo de físicos del Instituto Conjunto de Astrofísica de Laboratorio (JILA) e IMRA America Inc. ha medido cientos de niveles individuales de energía cuántica en el buckminsterfullereno, una molécula de carbono de 60 átomos en forma de balón de fútbol.

El buckminsterfullereno (C60), también conocido como bukybola, es una molécula extremadamente compleja. Debido a su enorme tamaño de 60 átomos, la molécula tiene un número asombrosamente elevado de formas de vibrar, desde 1026 hasta 1030 estados cuánticos vibratorios cuando la molécula está caliente.

"Las buckybolas, descubiertas por primera vez en 1984, han creado una gran emoción científica", dijo el Dr. Jun Ye, compañero de NIST / JILA.

"Pero la espectroscopia de alta resolución, que puede revelar los detalles de las propiedades de rotación y vibración de la molécula, no funcionó a temperaturas normales de habitación porque las señales estaban demasiado congestionadas".

El Dr. Ye junto con los demás investigadores utilizaron una versión actualizada de su Espectroscopia de Peine de Frecuencias ópticas y su Sistema de Enfriamiento Criogénico de Gas, para observar transiciones de energía aisladas e individuales entre los estados de rotación y vibración en el buckminsterfullereno frío y gaseoso.

Un peine de frecuencias ópticas es un tipo de luz láser que proporciona mediciones precisas de la luz.

Las bajas temperaturas (aproximadamente menos 138 grados Celsius, que es menos 216 grados Fahrenheit) permitieron a los investigadores concentrar las moléculas en un solo estado cuántico de rotacional-vibracional en el nivel de energía más bajo, permitiendo probarlas con espectroscopia de alta resolución.

"El buckminsterfullereno es la molécula más simétrica conocida, con una forma parecida a una pelota de fútbol, conocida como icosaedro modificado", dijeron los investigadores.

“Es lo suficientemente pequeño como para ser comprendido completamente con los principios de la mecánica cuántica básica. Sin embargo, es lo suficientemente grande como para revelar información sobre la extrema complejidad cuántica que emerge en sistemas enormes como este".

"Como ejemplo de aplicaciones prácticas, las buckybolas podrían actuar como una red prístina de 60 átomos".

El núcleo de cada átomo posee una propiedad idéntica conocida como "giro nuclear", que le permite interactuar magnéticamente con su entorno. Por lo tanto, cada giro podría actuar como un bit cuántico controlado magnéticamente o "cúbit" en una computadora cuántica.

Un cúbit​​ es un sistema cuántico con dos estados propios. Es un concepto fundamental para la computación cuántica y para la criptografía cuántica, el análogo cuántico del bit en informática.

“Si tuviéramos una buckybola hecha de carbono-13 isotópico puro, cada átomo tendría un giro nuclear de 1/2, y cada buckybola podría servir como una computadora cuántica de 60 cúbits. Por supuesto, no tenemos tales capacidades todavía; primero tendríamos que capturar estas buckybola en trampas", dijo el Dr. Ye.

Una parte clave de la nueva revolución cuántica, una computadora cuántica que utiliza cúbits hechos de átomos u otros materiales podría resolver problemas importantes que son intratables con las máquinas actuales.

“También hay muchas conexiones astrofísicas. Hay abundantes señales de buckybolas provenientes de estrellas de carbono remotas, por lo que los nuevos datos permitirán a los científicos comprender mejor el Universo", dijo el Dr. Ye.

Después de medir los niveles de energía cuántica, los físicos recopilaron estadísticas sobre los valores de espín nuclear de la molécula buckminsterfullereno.

Los científicos confirmaron que los 60 átomos eran indistinguibles, o virtualmente idénticos.

Las mediciones precisas de las energías de transición de la molécula buckminsterfullereno entre estados cuánticos individuales revelaron que sus átomos interactúan fuertemente entre sí, proporcionando información sobre las complejidades de su estructura molecular y las fuerzas entre los átomos.

Crédito de la imagen:
Steven Burrows / JILA. Bryann Changala y compañeros científicos utilizaron peines de frecuencias ópticas para observar las transiciones de energía cuántica individuales en la molécula buckminsterfullereno.

Referencia del documento científico:
P. Bryan Changala et al. 2019. Resolución del estado cuántico rovibracional del fullereno C60. Science, 4 de ene 2019, Vol. 363, Número 6422, pp. 49-54; doi: 10.1126 / science.aav2616

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