Fótons emaranhados permitem a espectroscopia Raman

Nos últimos anos, duas tecnologias de ponta ganharam força rapidamente: fontes de luz quântica emaranhada e espectroscopia Raman estimulada ultrarrápida.

O emaranhamento quântico é um fenômeno único enraizado nos princípios da mecânica quântica, onde partículas exibem correlações instantâneas em grandes distâncias. Este campo atraiu atenção significativa em comunicação quântica, detecção quântica e computação quântica, recebendo até mesmo o Prêmio Nobel de Física em 2022.

Por outro lado, a espectroscopia Raman estimulada representa um método analítico moderno usado para estudar propriedades e interações vibracionais moleculares, oferecendo insights valiosos sobre a estrutura fina molecular. Suas aplicações abrangem vários domínios, incluindo análise química, pesquisa biomédica, ciência de materiais e monitoramento ambiental.

Ao combinar essas duas técnicas, surge uma ferramenta analítica excepcionalmente poderosa para estudar materiais moleculares complexos.

Em um novo artigo publicado em Luz: Ciência e Aplicaçõesuma equipe de cientistas, liderada pelo Professor Zhedong Zhang e pelo Professor Zhe-Yu Ou do Departamento de Física da Universidade da Cidade de Hong Kong, Hong Kong, China, desenvolveu uma teoria microscópica para a espectroscopia Raman estimulada ultrarrápida com campos de luz quântica.

Esta técnica inovadora alavanca as vantagens quânticas de fontes de fótons emaranhados para melhorar tanto a resolução temporal quanto a espectral de sinais espectroscópicos. Além disso, ela permite “imagens de alta velocidade” de processos ultrarrápidos que ocorrem dentro de sistemas moleculares. Este artigo tem como objetivo guiar os leitores por este conceito inovador passo a passo.

O que é espectroscopia Raman estimulada?

O espalhamento Raman estimulado, como um membro da família de processos Raman, representa um fenômeno típico em interações multifótons, intimamente interligado com campos de luz quântica. Ele é baseado na interação entre luz incidente e moléculas de amostra, resultando em uma mudança de frequência da luz espalhada. Este processo envolve transferência de energia entre luz incidente e moléculas, com a mudança de frequência da luz espalhada sendo correlacionada aos níveis de energia vibracional molecular.

O principal avanço da espectroscopia Raman estimulada está em suas capacidades de processamento ultrarrápidas. A espectroscopia Raman tradicional requer um tempo significativo de aquisição de dados, enquanto a espectroscopia Raman estimulada utiliza pulsos de laser ultracurtos para adquirir rapidamente um amplo conjunto de pontos de dados, facilitando a rápida recuperação de informações moleculares cruciais.

Por que fontes de fótons emaranhados quânticos?

Fontes de fótons emaranhados quânticos servem como um componente vital na dispersão Raman estimulada, um processo de dois fótons. Essas fontes fornecem pares de fótons emaranhados que induzem a dispersão Raman estimulada ao interagir com a matéria.

Além disso, fontes de fótons emaranhados quânticos possuem propriedades não clássicas, como correlações entre pares de fótons em termos de tempo, frequência ou polarização. Isso quebra as limitações impostas pela luz clássica e, de fato, melhora significativamente a frequência e a resolução temporal dos sinais espectroscópicos.

Os autores destacam diversas vantagens da utilização de fontes de fótons emaranhados, afirmando que as moléculas servem ativamente como misturadores de feixes para campos de bombeamento e sondagem Raman, em vez de atuarem como divisores de feixes passivos apenas para dispersão de luz.

Aproveitando o emaranhamento, a espectroscopia Raman estimulada ultrarrápida quântica atinge um espectro super-resolvido com escalas de tempo-frequência além dos limites clássicos. Além disso, a interferência quântica multifóton leva a uma seletividade sem precedentes em sinais espectroscópicos, permitindo um caminho de transição seletivo para funções de correlação molecular.

‘Câmera de alta velocidade’ para moléculas

Certos sistemas moleculares exibem processos ultrarrápidos, como transferência de elétrons e redistribuição de energia, ocorrendo na escala de tempo de femtossegundos (10^-15 segundos). Entender esses movimentos rápidos é crucial para o avanço de dispositivos de imagem, conversão de energia e computação quântica. No entanto, o estudo desses processos ultrarrápidos tem sido impedido por limitações nas escalas de tempo e energia.

Neste estudo, os pesquisadores podem ajustar parâmetros específicos de processos não lineares (como a largura espectral da luz da bomba e a espessura do cristal não linear) para gerar pares de fótons emaranhados com correlação de nível de femtossegundo, preservando suas correlações de energia (frequência).

Esses pares de fótons gerados atendem às condições de transferência de energia necessárias para o espalhamento Raman estimulado. Quando esse processo de transferência de energia se acopla aos processos ultrarrápidos que ocorrem em moléculas sensíveis a fótons, o sinal correspondente que carrega a informação do processo aparece nos espectros, permitindo imagens de moléculas em alta velocidade.

Perspectiva da espectroscopia quântica

Avanços futuros na espectroscopia quântica devem gerar avanços profundos no campo da física quântica e controle quântico em temperatura ambiente. Esses avanços também impulsionarão o desenvolvimento de tecnologias de geração de fonte de luz quântica mais eficientes e estáveis, injetando nova vitalidade em áreas como comunicação óptica, computação quântica e sensoriamento quântico.

Além disso, espera-se que os métodos de medição e análise espectral altamente eficientes e precisos derivados da espectroscopia quântica desempenhem papéis essenciais em diversos campos, incluindo ciência de materiais, reações químicas e pesquisa biomédica. Esta pesquisa fornece apenas um vislumbre do potencial da espectroscopia quântica.

Ao aproveitar essa técnica, é possível obter insights mais profundos sobre análise estrutural molecular e observação dinâmica, impulsionando um progresso significativo em domínios relacionados.