Fysikere finder en måde at kontrollere ladede molekyler - med kvantelogik

National Institute of Standards and Technology (NIST) fysikere har løst den tilsyneladende uoverskuelige puslespil om, hvordan man kontrollerer kvanteegenskaberne for individuelle ladede molekyler, eller molekylære ioner. Løsningen er at bruge den samme slags "kvantelogik", der driver et eksperimentelt NIST -atomur.

Den nye teknik opnår et undvigende mål, at kontrollere molekyler lige så effektivt som laserkøling og andre teknikker kan kontrollere atomer. Kvantkontrol af atomer har revolutioneret atomfysikken, fører til applikationer såsom atomure. Men laserkøling og kontrol af molekyler er ekstremt udfordrende, fordi de er meget mere komplekse end atomer.

NIST -teknikken bruger stadig en laser, men kun for forsigtigt at undersøge molekylet; dens kvantetilstand opdages indirekte. Denne form for kontrol af molekylioner - flere atomer bundet sammen og bærende anelektrisk ladning - kunne føre til mere sofistikerede arkitekturer til behandling af kvanteoplysninger, forstærke signaler inden for grundlæggende fysikforskning såsom måling af "rundhed" af elektronens form, og øge kontrollen med kemiske reaktioner.

Forskningen er beskrevet i 11. maj -udgaven af Natur og blev udført i NIST Boulder -gruppen, der demonstrerede den første laserkøling af atomioner i 1978.

"Vi udviklede metoder, der kan anvendes på mange typer molekyler, "NIST -fysiker James ChinwenChou sagde." Uanset hvilket trick du kan lege med atomioner er nu inden for rækkevidde med molekylioner. Nu vil molekylet 'lytte' til dig - spørge, træde i kræft, 'Hvad vil du have mig til at gøre?'"

"Dette kan sammenlignes med, da forskere først kunne laserkøle og fange atomer, åbning af floodgatesto -applikationer inden for præcisionsmetrologi og informationsbehandling. Det er vores drøm at opnå alle disse ting med molekyler, "Tilføjede Chou.

Sammenlignet med atomer, molekyler er vanskeligere at kontrollere, fordi de har mere komplekse strukturer, der involverer mange elektroniske energiniveauer, vibrationer og rotationer. Molekyler kan bestå af mange forskellige tal og kombinationer af atomer og være lige så store som DNA -tråde mere end en meter lange.

NIST -metoden finder kvantetilstanden (elektronisk, vibrationelle, og rotation) af molekylærionen ved at overføre informationen til en anden ion, i dette tilfælde en atomion, som kan laserkøles og styres med tidligere kendte teknikker. Lån ideer fra NISTs kvantelogiske ur, forskere forsøger at manipulere molekylærionen og, hvis det lykkes, modregne en synkroniseret bevægelse i parionerne. Manipulationen vælges sådan, at den kun kan udløse bevægelsen, hvis molekylet er i en bestemt tilstand. Svaret "ja" eller "nej" signaleres af atomionen. Teknikken er meget skånsom, angiver molekylets kvantetilstande uden at ødelægge dem.

"Molekylet jiggler kun, hvis det er i den rigtige tilstand. Atomet føler det jiggle og kan overføre jiggle til et lyssignal, vi kan opfange, "sagde seniorforfatter Dietrich Leibfried." Dette er ligesom punktskrift, som gør det muligt for mennesker at føle, hvad der er skrevet i stedet for at se det. Vi mærker molekylets tilstand i stedet for at se det, og atomionen er vores mikroskopiske finger, der gør det muligt for os. "

"I øvrigt, metoden bør være anvendelig på en stor gruppe molekyler uden at ændre opsætningen. Dette er en del af NISTs grundlæggende mission, at udvikle præcisionsmålingsværktøjer, som måske andre mennesker kan bruge i deres arbejde, "Tilføjede Leibfried.

For at udføre eksperimentet, NIST -forskere rensede gammelt, men stadig funktionelt udstyr, herunder anionfælde, der blev brugt i et kvanteteleportationseksperiment fra 2004. De lånte også laserlys fra et igangværende kvantelogisk ureksperiment i samme laboratorium.

Forskerne fangede to calciumioner med blot et par milliontedele af en meter fra hinanden i et højvakuumkammer ved stuetemperatur. Hydrogengas blev lækket ind i vakuumkammeret, indtil en calciumion reagerede for at danne en calciumhydrid (CaH+) molekylion fremstillet af en calciumion og et hydrogenatom bundet sammen.

Som et par pendler, der er forbundet med en fjeder, de to ioner kan udvikle en fælles bevægelse på grund af deres fysiske nærhed og den frastødende interaktion mellem deres elektriske ladninger. Forskerne brugte en laser til at afkøle atomionen, derved også afkøle molekylet til tilstanden med den laveste energi. Stuetemperatur, molekylionen er også i sin laveste elektroniske og vibrationelle tilstand, men forbliver i en blanding af rotationstilstande.

Forskerne anvendte derefter impulser fra infrarødt laserlys - indstillet til at forhindre ændringer i ionernes elektroniske eller vibrationelle tilstande - for at drive en unik overgang mellem to af mere end 100 mulige rotationsstater i molekylet. Hvis denne overgang fandt sted, en mængde energi blev føjet til de to ioner's delte bevægelse. Forskere anvendte derefter en ekstra laserpuls for at konvertere ændringen i delt bevægelse til en ændring i atomionens indre energiniveau. Atomionen begyndte derefter at sprede lys, signalere, at molekylionens tilstand var ændret, og den var i den ønskede måltilstand.

Efterfølgende, forskere kan derefter overføre vinkelmoment fra det lys, der udsendes og absorberes under laserinducerede overgange til, for eksempel, orientere molekylets rotationstilstand i en ønsket retning.

De nye teknikker har en bred vifte af mulige anvendelser. Andre NIST -forskere ved JILA brugte tidligere lasere til at manipulere skyer af specifikke ladede molekyler på bestemte måder, men den nye NIST -teknik kunne bruges til at styre mange forskellige typer større molekylioner på flere måder, Chousaid.

Molekylære ioner tilbyder flere muligheder end atomioner til lagring og konvertering af kvanteinformation, Sagde Chou. For eksempel, de kunne tilbyde mere alsidighed til distribution af kvanteinformation til forskellige typer hardware såsom superledende komponenter.

Metoden kunne også bruges til at besvare dybe fysiske spørgsmål, såsom om grundlæggende "konstanter" i naturen ændrer sig over tid. Calciumhydridmolekylionen er blevet identificeret som en kandidat til besvarelse af sådanne spørgsmål. Ud over, til målinger af elektronens elektriske dipolemoment (en mængde, der angiver partiklernes ladningsfordeling) evnen til præcist at kontrollere alle aspekter af hundredvis af ioner på samme tid ville øge styrken af ​​det signal, som forskere ønsker at måle, Sagde Chou.