La rectification stochastique quantique est un processus observé dans certains systèmes physiques, qui implique la conversion de fluctuations quantiques aléatoires (c.-à-d. Le bruit quantique) et un petit signal oscillant, tel qu'un courant alternatif faible ou une tension CA, en une sortie régulière (par exemple, un courant direct, ou un CC). Cet effet quantique a été précédemment signalé dans les jonctions de tunnel magnétique qui sont entraînées à la fois par la mécanique quantique et le hasard (c.-à-d. Les processus stochastiques).
Des chercheurs de l'Université de Californie – Irvine ont récemment montré que la rectification stochastique quantique observée dans les molécules individuelles peut être exploitée pour étudier leur dynamique de relaxation intrinsèque. Leur approche, décrite dans un article publié dans Lettres d'examen physiquepourrait éclairer la future étude de la dynamique moléculaire et faire avancer la mesure des processus rapides qui se déroulent en molécules uniques à l'échelle atomique.
« Il y a quelques années, j'ai siégé à un comité d'avancement du doctorat et l'étudiant diplômé a discuté de ses recherches de thèse impliquant des processus stochastiques dans les jonctions de tunnel magnétique à l'échelle NM », a déclaré Wilson Ho, auteur principal du journal, à Issues.fr. « Le signal dans son expérience a été affecté par le bruit thermique et a montré une transition lorsque la fréquence de conduite était variée.
« Il m'est venu à l'esprit que nous devrions observer un effet similaire, mais entièrement mécanique quantique dans notre microscopie à tunnels (STM) sonder d'une seule molécule. J'ai mentionné ces idées à Jiang Yao, étudiante diplômée à l'époque dans mon groupe, et notre discussion a conduit à la publication de cet article. »
L'objectif principal de la récente étude de Ho et de ses étudiants était d'observer avec succès un aléatoire quantique inhérent (c.-à-d. La stochasticité quantique) dans une seule molécule. Pour ce faire, les chercheurs ont appliqué une tension oscillante périodique à une molécule de pyrrolidine individuelle adsorbée sur une surface de cuivre, qui a interagi avec une commutation d'état aléatoire dans la molécule en raison des effets quantiques.
Ils ont ensuite observé et mesuré les réponses de la molécule à la fréquence oscillante de tension, en se concentrant en particulier sur les changements structurels (c'est-à-dire les conformations). Cela leur a finalement permis de mesurer la vitesse à laquelle la molécule se détend (c'est-à-dire, revient à son état d'origine après avoir été perturbé), ramassant des processus rapides qui n'ont pas été ramassés à l'aide d'outils de microscopie seuls.
« Nous avons utilisé un STM à domicile et à basse température (8 K) dans un vide ultra-élevé pour mesurer le courant de rectification comme un signal de transduction à travers une seule pyrrolidine, qui nous a permis de surveiller le stochastique, des transitions quantiques aléatoires indépendantes et aléatoires de deux fréquences moléculaires et soumis simulteneux.
« Une transition de type lorentzien dans la réponse en fréquence du courant de rectification, correspondant à une décroissance exponentielle dans le temps, s'est avérée correspondre à la dynamique stochastique quantique, reliant la fréquence de transition au temps de relaxation de la population. »
Les résultats recueillis par Ho et ses collègues démontrent que les processus de rectification stochastique quantique peuvent être exploités pour sonder la stochasticité quantique des molécules individuelles. En utilisant leurs méthodes, les chercheurs ont pu sonder des processus rapides qui se sont produits dans une seule molécule de pyrrolidine à l'échelle atomique pour des moments trop courts pour être suivis par l'électronique STM.
« Comprendre comment le bruit quantique aléatoire peut améliorer les signaux en modulant avec un lecteur périodique sinusoïdal pourrait potentiellement aider à lutter contre les erreurs induites par l'environnement pour les dispositifs quantiques », a déclaré Ho. « Dans une perspective méthodologique, notre spectroscopie de rectification dépendante de la fréquence offre une méthode puissante pour sonder les processus de relaxation rapide dans les systèmes à deux niveaux en utilisant un lecteur périodique sinusoïdal qui simplifie considérablement les exigences d'instrumentation. »
À l'avenir, les méthodes expérimentales utilisées par HO et ses collègues pourraient être utilisées par d'autres équipes de recherche pour étudier la dynamique des molécules individuelles, tout en aidant potentiellement à faire progresser les technologies quantiques en réduisant les erreurs résultant de l'interaction des états quantiques avec l'environnement environnant. Dans le cadre de leurs prochaines études, les chercheurs prévoient de sonder la dynamique à molécule unique à l'échelle picoseconde, en étendant leur approche aux fréquences THz.
« En plus de mesurer des processus ultrarapides tels que la relaxation vibratoire et les mouvements de protons, notre méthode de sondage des molécules uniques pourrait révéler la relation entre la stochasticité et la cohérence, qui est un aspect fondamental mais largement inexploré des systèmes quantiques », a ajouté Ho. « Ces deux phénomènes coexistent souvent, mais les techniques actuelles ont eu du mal à les sonder simultanément. »
Écrit pour vous par notre auteur Ingrid Fadelli, édité par Lisa Lock, et vérifié et examiné par Andrew Zinin – cet article est le résultat d'un travail humain soigneux. Nous comptons sur des lecteurs comme vous pour garder le journalisme scientifique indépendant en vie. Si ce rapport vous importe, veuillez considérer un don (surtout mensuel). Vous obtiendrez un sans publicité compte comme un remerciement.
