Учёные установили квантовый контроль над молекулой с эффективностью 99,8%

Физики из Национального института стандартов и технологий (NIST) достигли беспрецедентного уровня контроля над молекулами, успешно манипулируя ионом молекулы кальция, состоящим из одного атома кальция и одного атома водорода. Этот прорыв, который может найти применение в квантовых технологиях, химических исследованиях и поиске новой физики, был осуществлён с помощью метода, называемого квантовой логической спектроскопией.

Как пояснил ведущий автор исследования Далтон Чаффи, основная сложность управления молекулами по сравнению с атомами заключается в огромном количестве возможных состояний молекулы, обусловленных её вращением и вибрацией. Чтобы преодолеть это, учёные использовали в качестве помощника ион кальция. Поскольку оба иона — и помощник, и молекула кальция — имеют одинаковый заряд, они отталкиваются друг от друга, подобно тому, как их раздвигает сжатая пружина.

Ключевым этапом стало охлаждение. Молекула кальция плохо взаимодействует с лазером, в отличие от иона-помощника. Исследователи охладили ион кальция лазером, замедлив его движение, что привело и к замедлению движения молекулы. Как отметила аспирант Эйприл Шеффилд, охлаждение молекулы является критически важным. В холодной среде учёные смогли удерживать молекулярное состояние неизменным в десять раз дольше, чем при комнатной температуре.

Затем, чтобы изменить вращение молекулы, на неё направили лазер. Непосредственно определить, вращается ли молекула, невозможно, но ион кальция способен на это. Когда молекула меняет вращение, ион-помощник реагирует на это, испуская крошечную вспышку фотонов, которую исследователи видят как яркую точку. По команде учёных молекула возвращается в исходное состояние вращения, и ион кальция вспыхивает снова. Эта двойная вспышка сигнализирует о двух квантовых скачках между разными состояниями молекулы.

«Видеть такой уровень квантового контроля воочию невероятно впечатляет, — сказал научный сотрудник NIST Барух Маргулис. — В нашей лаборатории мы можем буквально увидеть на камеру, в каком квантовом состоянии находится наш ион. Это завораживает».

Важнейшим результатом исследования стало то, что молекула способна оставаться в заданном вращательном состоянии около 18 секунд, прежде чем тепловое излучение окружающей среды заставит её изменить состояние, и вспышки иона прекратятся. Эти 18 секунд дают исследователям тысячи возможностей для измерений. «Это похоже на игру в прятки, — объяснил Маргулис. — Как только излучение переводит молекулу в другое состояние, вспышки прекращаются, и мы видим это почти мгновенно».

Для подтверждения точности контроля учёные многократно проверяли состояние иона. В результате им удалось достичь успеха в 99,8% случаев, что означает примерно 998 успешных манипуляций из 1000 попыток. Этот метод открывает путь к использованию широкого спектра молекул для конкретных квантовых задач, изучению физики за пределами Стандартной модели и потенциальному управлению химическими реакциями.

Источник: New-Science.ru https://new-science.ru/uchjonye-ustanovili-kvantovyj-kontrol-nad-molekuloj-s-effektivnostju-99-8/

молекулы квантовый_контроль физика ионы молекулы_кальция атомы_водорода