Une équipe de physiciens du Joint Institute for Lab Astrophysics (JILA) et d’IMRA America Inc. a mesuré des centaines de niveaux d’énergie quantique individuels dans le buckminsterfullerène (surnommé buckyball), une molécule de carbone de 60 atomes ayant la forme d’un ballon de football.
Changala et al ont utilisé des peignes de fréquence, ou ” règles de lumière “, pour observer les transitions énergétiques quantiques individuelles dans le buckminsterfullerène. Crédit image : Steven Burrows / JILA.
Le buckminsterfullerène (C60) est extrêmement complexe. En raison de son énorme taille de 60 atomes, l’ensemble de la molécule possède un nombre incroyablement élevé de façons de vibrer – de 10 à 50 %.26 à 1030 états quantiques vibrationnels lorsque la molécule est chaude.
“Les buckyballs, découvertes pour la première fois en 1984, ont suscité un grand intérêt scientifique”, a déclaré le Dr Jun Ye, membre du NIST/JILA.
“Mais la spectroscopie à haute résolution, qui peut révéler les détails des propriétés rotationnelles et vibratoires de la molécule, ne fonctionnait pas aux températures ambiantes ordinaires car les signaux étaient trop encombrés.”
Ye et ses co-auteurs ont utilisé une version actualisée de leur spectroscopie en peigne de fréquences et un système de refroidissement cryogénique du gaz tampon pour observer des transitions énergétiques individuelles et isolées entre les états rotationnels et vibrationnels du buckminsterfullerène gazeux et froid.
Les basses températures (environ moins 138 degrés Celsius, soit moins 216 degrés Fahrenheit) ont permis aux chercheurs de concentrer les molécules dans un seul état quantique rotationnel-vibrationnel au niveau d’énergie le plus bas et de les sonder par spectroscopie à haute résolution.
“Le buckminsterfullerène est la molécule la plus symétrique connue, avec une forme de ballon de football connue sous le nom d’icosaèdre modifié”, ont-ils déclaré.
“Elle est suffisamment petite pour être entièrement comprise avec les principes de base de la mécanique quantique. Pourtant, il est assez grand pour révéler des aperçus de l’extrême complexité quantique qui émerge dans des systèmes énormes.”
“A titre d’exemple d’applications pratiques, les buckyballs pourraient agir comme un réseau vierge de 60 atomes.”
Le noyau de chaque atome possède une propriété identique appelée ” spin nucléaire “, qui lui permet d’interagir magnétiquement avec son environnement. Par conséquent, chaque spin pourrait agir comme un bit quantique contrôlé magnétiquement ou “qubit” dans un ordinateur quantique.
“Si nous avions une buckyball faite de carbone-13 isotopique pur, chaque atome aurait un spin nucléaire de 1/2, et chaque buckyball pourrait servir d’ordinateur quantique de 60 qubits. Bien sûr, nous ne disposons pas encore de telles capacités ; nous devrions d’abord capturer ces buckyballs dans des pièges”, a déclaré le Dr Ye.
Élément clé de la nouvelle révolution quantique, un ordinateur quantique utilisant des qubits constitués d’atomes ou d’autres matériaux pourrait potentiellement résoudre des problèmes importants qui sont insolubles avec les machines actuelles.
“Il y a aussi beaucoup de liens avec l’astrophysique. Il existe d’abondants signaux de buckyball provenant d’étoiles carbonées éloignées. Ces nouvelles données permettront aux scientifiques de mieux comprendre l’Univers”, a déclaré le Dr Ye.
Après avoir mesuré les niveaux d’énergie quantique, les physiciens ont recueilli des statistiques sur les valeurs de spin nucléaire du buckminsterfullerène.
Ils ont confirmé que les 60 atomes étaient indiscernables, ou pratiquement identiques.
Les mesures précises des énergies de transition du buckminsterfullerène entre les différents états quantiques ont révélé que ses atomes interagissaient fortement les uns avec les autres, ce qui a permis de comprendre la complexité de sa structure moléculaire et les forces entre les atomes.
Les résultats sont publiés dans le journal Science.
