Precision measurement of parity violation with quantum-controlled and trapped chiral molecular ions

Descrizione del progetto

Una ricerca indaga su come la forza debole interrompe la simmetria speculare delle molecole chirali

La chiralità molecolare è cruciale in settori come lo sviluppo di farmaci, eppure le molecole chirali sono oggetto di domande fondamentali, soprattutto in relazione al motivo per cui nei sistemi viventi predomina una specifica preferenza direzionale. Tradizionalmente, gli enantiomeri delle molecole chirali sono visti come perfette immagini speculari, il che implica una facile conversione tra loro. La forza debole potrebbe però violare questa simmetria di parità nelle molecole chirali. Il progetto Q-ChiMP, finanziato dal CER, cerca di rispondere alla domanda se la forza debole sia importante in chimica eseguendo il primo esperimento di ioni molecolari chirali intrappolati per misurare la violazione della parità. La ricerca proposta sfrutterà i lunghi tempi di coerenza degli esperimenti con ioni intrappolati per migliorare la precisione delle misure. L’uso di ioni molecolari dovrebbe inoltre consentire di generare tempi di coerenza prolungati e un’elevata precisione di misura. I risultati di Q-ChiMP potrebbero potenzialmente far progredire la chimica controllata dai quanti e la tecnologia dell’informazione quantistica.

Obiettivo

Molecular chirality plays a central role in many fields, ranging from reaction dynamics to drug development. Fundamental questions surround chiral molecules, in particular: Why does a specific handedness prevail in natural living systems? The vast majority of Chemistry textbooks define the two enantiomers of chiral molecules as perfect mirror images, which entails tunnelling conversion between enantiomers. However, a closer look reveals that the non-conservation of spatial inversion exhibited by the weak force should violate the parity symmetry in chiral molecules.
In Q-ChiMP, we aim to answer the fundamental question, Is the weak force important in chemistry? To this end, we will realize the first trapped chiral molecular ion experiment with pristine quantum control to measure parity violation (PV) in molecules for the first time by detecting tiny structural differences between enantiomers. We will use several advantages molecular ions have over neutrals in metrology. First, we will leverage the long coherence times enabled by trapped ion experiments to enhance measurement precision. Second, molecular ions provide a promising path to generate internally cold chiral molecules populating only a few quantum states, which serves as an essential ingredient of precision metrology along with high quantum efficiency in detection. Our main approach to measure PV will use our newly developed vibrational spectroscopy scheme that can extract PV from a racemic sample directly, enhancing measurement precision and overcoming synthesis challenges.
Each of the aims developed in Q-ChiMP toward a measurement of PV serves as an important novel milestone for taming cold polyatomic molecules and can be applied to quantum-controlled chemistry experiments and quantum information technology.
The unique experience of the PI in precision spectroscopy with molecular ion ensembles and experimental cold quantum-controlled chemistry will be instrumental in achieving these ambitious goals.