Când discutăm despre legătura dintre calculatoare și molecule, Google împreună cu un grup numeros de experți în rezonanță magnetică nucleară (NMR) au creat o metodă care transformă un spectrometru NMR într-un fel de laborator pentru fenomene cuantice moleculare. Este vorba despre experimente realizate pe o moleculă mică, în care cercetătorii au introdus un izotop de carbon-13 într-o poziție precisă pentru a urmări propagarea unui semnal prin rețeaua de spinuri nucleare a moleculei.
NMR se bazează pe proprietatea cuantică a nucleelor numită spin. Când nucleele sunt apropiate, spinurile lor pot interacționa, iar NMR folosește câmpuri magnetice și impulsuri pentru a controla aceste spinuri și a deduce, de exemplu, distanțe sau aranjamente în moleculă. Problema este că, pe măsură ce molecula crește, rețeaua de spinuri se extinde și devine tot mai dificil de modelat; din acest motiv tehnica a fost, până acum, axată pe interacțiuni locale, între spinuri apropiate.
Ceea ce au pus în practică cercetătorii este ingenios: au sintetizat o moleculă specială cu carbon-13 plasat la o poziție cunoscută, astfel încât acel nucleu să genereze un semnal clar. În NMR au creat apoi echivalentul fizic al unei oglinzi temporale cuantice, un fel de ecou care pornește de la nucleul marcat și se propagă prin rețeaua de spinuri. După o perioadă în care polarizarea inițială se răspândește prin rețea, o secvență de impulsuri proiectată special inversează evoluția (un time-reversal proiectat al Hamiltonianului), iar semnalul se întoarce la starea inițială, dar doar dacă nu există perturbări pe spinuri îndepărtate. Astfel se poate evalua cât de departe și în ce fel se deplasează polarizarea în rețeaua de spinuri.
Echipa a denumit procedura TARDIS, acronim pentru Time-Accurate Reversal of Dipolar InteractionS, un nume inspirat, care amintește de mașina timpului din ficțiune, dar care descrie, în esență, o succesiune de impulsuri de control aplicate probei NMR. Prima serie de impulsuri inițiază o perturbare în rețeaua de spinuri; a doua serie reflectă un ecou înapoi către sursă, permițând detectarea influențelor dincolo de vecinătatea imediată a nucleului marcat.
Experimentul reproduce astfel un tip de măsurătoare denumită OTOC, prescurtare pentru out-of-time-order correlator, bazată pe un „eco many-body”: polarizarea localizată pe un spin țintă se răspândește prin rețeaua de spinuri, iar refocalizarea temporară este sensibilă la perturbările altor spinuri, oferind informații despre extinderea propagării polarizării. Ideea extinde capabilitățile NMR clasice, permițând studierea interacțiunilor la distanțe mai mari în molecule, fără a reduce sistemul la doar cupluri apropiate.
Pe lângă importanța fundamentală pentru fizica cuantică și studiul dinamicii many-body, metoda poate facilita înțelegerea structurii și interacțiunilor în molecule mai complexe, acolo unde modelarea devine complicată. Utilizarea izotopului carbon-13 ca sursă de semnal și proiectarea atentă a secvențelor de impulsuri arată că instrumentele NMR, folosite de decenii în chimie și biologie, pot fi adaptate creativ pentru a simula și măsura fenomene cuantice dinamice.
TARDIS ilustrează cum idei din fizica teoretică și tehnici experimentale se combină pentru a extinde ceea ce putem observa privind propagarea informației cuantice în sisteme reale. Aici se vede clar legătura dintre concepte precum OTOC și implementările experimentale: termeni ca carbon-13, NMR, impulsuri de control și ecou many-body devin instrumente pentru a testa cât de robuste sunt aceste ecouri în fața perturbărilor. Pare o fuziune între chimie avansată și un spectacol de magie cuantică, fără baghete, doar secvențe precise de impulsuri.
Această abordare deschide noi direcții: măsurători mai complexe pe molecule sintetizate cu izotopi poziționați strategic și posibilă integrare a tehnicilor cu alte platforme cuantice. De exemplu, înțelegerea propagării polarizării poate informa experimente în materiale cuantice solide sau în dispozitive bazate pe spinuri, unde se caută control precis al dinamicii multi-particule. Totodată, se evidențiază cât de esențială este colaborarea între specialiști NMR și comunitatea teoretică pentru a transforma un concept abstract precum OTOC într-un protocol practic de măsurare.
TARDIS, carbon-13 și ecoul many-body sunt termeni pe care îi veți întâlni frecvent dacă vă interesează modul în care se măsoară dinamica cuantică în sisteme reale. Dacă vrei o imagine mentală, imaginează-ți un semnal pornind dintr-un nucleu și revenind ca un ecou controlat, sensibil la întreruperile întâlnite pe parcurs, nimic spectaculos vizual, dar cu mare însemnătate pentru cei care lucrează cu spinuri și Hamiltonieni.
TARDIS și experimentul OTOC arată că instrumentele consacrate, precum NMR, pot fi reinventate pentru a investiga întrebări noi în fizica cuantică. Ce efecte crezi că ar putea avea astfel de măsurători asupra studiului materialelor cuantice sau al dispozitivelor bazate pe spinuri?
Fii primul care comentează