Physiker finden einen Weg, geladene Moleküle zu kontrollieren - mit Quantenlogik

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Anonim

Physiker des National Institute of Standards and Technology (NIST) haben das scheinbar unlösbare Rätsel gelöst, wie man die Quanteneigenschaften einzelner geladener Moleküle oder Molekülionen kontrollieren kann. Die Lösung besteht darin, die gleiche Art von "Quantenlogik" zu verwenden, die eine experimentelle NIST-Atomuhr antreibt.

Die neue Technik erreicht ein schwer erreichbares Ziel, Moleküle so effektiv zu steuern wie Laserkühlung und andere Techniken können Atome kontrollieren. Die Quantenkontrolle von Atomen hat die Atomphysik revolutioniert und zu Anwendungen wie Atomuhren geführt. Die Laserkühlung und -steuerung von Molekülen ist jedoch extrem anspruchsvoll, da sie viel komplexer sind als Atome.

Die NIST-Technik verwendet immer noch einen Laser, aber nur um das Molekül vorsichtig zu untersuchen; sein Quantenzustand wird direkt erkannt. Diese Art der Kontrolle von Molekülionen - mehrere Atome, die miteinander verbunden sind und eine elektrische Ladung tragen - könnte zu komplexeren Architekturen für die Quanteninformationsverarbeitung führen, Signale in der Grundlagenforschung wie die Messung der "Rundheit" der Elektronenform verstärken und die Steuerung von chemische Reaktionen.

Die Forschung ist in der Nature- Ausgabe vom 11. Mai beschrieben und wurde in der NIST Boulder-Gruppe durchgeführt, die 1978 die erste Laserkühlung von Atomionen zeigte.

"Wir haben Methoden entwickelt, die auf viele Arten von Molekülen anwendbar sind", sagte der NIST-Physiker James ChinwenChou. "Was auch immer du mit Atomionen spielen kannst, ist jetzt mit Molekülionen erreichbar. Nun wird dir das Molekül" zuhören "- und tatsächlich fragen:" Was soll ich tun? "

"Dies ist vergleichbar mit dem, als Wissenschaftler zuerst Atome kühlen und einfangen konnten, was die Anwendungen in der Präzisionsmesstechnik und der Informationsverarbeitung öffnete. Es ist unser Traum, all diese Dinge mit Molekülen zu erreichen", fügte Chou hinzu.

Im Vergleich zu Atomen sind Moleküle schwieriger zu steuern, da sie komplexere Strukturen mit vielen elektronischen Energieniveaus, Schwingungen und Rotationen haben. Moleküle können aus vielen verschiedenen Atomen und Kombinationen von Atomen bestehen und so groß wie DNA-Stränge sein, die mehr als einen Meter lang sind.

Die NIST-Methode findet den Quantenzustand (elektronisch, schwingend und rotatorisch) des Molekülions durch Übertragung der Information auf ein zweites Ion, in diesem Fall ein Atomion, das mit vorher bekannten Techniken lasergekühlt und gesteuert werden kann. Die Forscher, die Ideen aus der Quantenlogik von NIST aufnehmen, versuchen, das Molekülion zu manipulieren und, falls erfolgreich, eine synchronisierte Bewegung im Ionenpaar auszulösen. Die Manipulation ist so gewählt, dass sie die Bewegung nur auslösen kann, wenn sich das Molekül in einem bestimmten Zustand befindet. Die Antwort "Ja" oder "Nein" wird durch das Atomion signalisiert. Die Technik ist sehr sanft und zeigt die Quantenzustände des Moleküls an, ohne sie zu zerstören.

"Das Molekül wackelt nur, wenn es im richtigen Zustand ist. Das Atom fühlt sich wackeln und kann den Jigglein auf ein Lichtsignal übertragen, das wir aufnehmen können", sagte Seniorautor Dietrich Leibfried. "Das ist wie Braille, was den Menschen erlaubt zu fühlen, was geschrieben wird, anstatt es zu sehen. Wir fühlen den Zustand des Moleküls, statt es zu sehen, und das Atomion ist unser mikroskopischer Finger, der uns das ermöglicht."

"Darüber hinaus sollte die Methode auf eine große Gruppe von Molekülen anwendbar sein, ohne das Setup zu ändern. Dies ist Teil der grundlegenden Mission von NIST, Präzisionsmeßwerkzeuge zu entwickeln, die vielleicht andere Menschen bei ihrer Arbeit verwenden können», fügte Leibfried hinzu.

Zur Durchführung des Experiments haben NIST-Forscher alte, aber immer noch funktionsfähige Geräte aufgespürt, darunter die Anionenfalle, die 2004 in einem Quantenteleportationsexperiment verwendet wurde. Sie liehen sich auch Laserlicht von einem laufenden Quantenlogik-Uhr-Experiment im selben Labor.

In einer Hochvakuumkammer bei Raumtemperatur haben die Forscher zwei wenige Millimeter große Calciumionen eingefangen. Wasserstoffgas strömte in die Vakuumkammer, bis ein Calciumion reagierte, um ein Calciumhydrid (CaH +) - Molekülion zu bilden, das aus einem Calciumion und einem Wasserstoffatom gebildet wurde, die miteinander verbunden waren.

Wie ein Paar Pendel, die durch eine Feder gekoppelt sind, können die beiden Ionen aufgrund ihrer physikalischen Nähe und der abstoßenden Wechselwirkung ihrer elektrischen Ladungen eine gemeinsame Bewegung entwickeln. Die Forscher verwendeten einen Laser, um das Atomion zu kühlen und dabei das Molekül auf den niedrigsten Energiezustand zu bringen. Atroom Temperatur, das Molekülion ist auch in seiner niedrigsten elektronischen und Schwingungszustand, aber bleibt in einem Gemisch von Rotationszuständen.

Die Forscher verwendeten dann Impulse von infrarotem Laserlicht, die abgestimmt waren, um Änderungen an den elektronischen oder Schwingungszuständen der Ionen zu verhindern, um einen einzigartigen Übergang zwischen zwei von mehr als 100 möglichen Rotationszuständen des Moleküls zu steuern. Wenn dieser Übergang stattfand, wurde ein Energiequantum zu der gemeinsamen Bewegung der zwei Ionen hinzugefügt. Die Forscher setzten dann einen zusätzlichen Laserpuls ein, um die Veränderung der geteilten Bewegung in eine Änderung des inneren Energieniveaus des Atomions umzuwandeln. Das Atomion begann dann mit Streulicht, was darauf hinwies, dass sich der Zustand des Molekülions geändert hatte und sich im gewünschten Zielzustand befand.

Anschließend können die Forscher dann den Drehimpuls aus dem emittierten und absorbierten Licht während laserinduzierter Übergänge übertragen, um beispielsweise den Rotationszustand des Moleküls in eine gewünschte Richtung zu orientieren.

Die neuen Techniken haben eine breite Palette möglicher Anwendungen. Andere NIST-Wissenschaftler bei JILA verwendeten früher Laser, um Wolken bestimmter geladener Moleküle auf bestimmte Arten zu manipulieren, aber die neue NIST-Technik könnte verwendet werden, um viele verschiedene Arten größerer molekularer Ionen in mehrerlei Hinsicht zu kontrollieren, Chousaid.

Molekulare Ionen bieten mehr Optionen als Atomionen zum Speichern und Konvertieren von Quanteninformationen, sagte Chou. Zum Beispiel könnten sie eine größere Vielseitigkeit zum Verteilen von Quanteninformation auf verschiedene Hardwaretypen, wie supraleitende Komponenten, bieten.

Die Methode könnte auch verwendet werden, um tiefe physikalische Fragen zu beantworten, etwa ob sich fundamentale "Naturkonstanten" im Laufe der Zeit verändern. Das Calciumhydrid-Molekülion wurde als ein Kandidat zur Beantwortung solcher Fragen identifiziert. Für Messungen des elektrischen Dipolmoments des Elektrons (eine Größe, die die Rundheit der Teilchenladungsverteilung anzeigt) würde die Fähigkeit, alle Aspekte von Hunderten von Ionen gleichzeitig genau zu steuern, die Stärke des Signals verstärken, das Wissenschaftler messen möchten, Chou sagte.

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