Fysiker från National Institute of Standards and Technology (NIST) har löst det till synes otrevliga pusslet om hur man kontrollerar kvantegenskaperna hos enskilda laddade molekyler, eller molekylära joner. Lösningen är att använda samma typ av "kvantlogik" som driver en experimentell NIST -atomklocka.

Den nya tekniken uppnår ett svårfångat mål, att styra molekyler lika effektivt som laserkylning och andra tekniker kan styra atomer. Kvantkontroll av atomer har revolutionerat atomfysiken, vilket leder till applikationer som atomur. Men laserkylning och kontroll av molekyler är extremt utmanande eftersom de är mycket mer komplexa än atomer.

NIST -tekniken använder fortfarande en laser, men bara för att försiktigt undersöka molekylen; dess kvanttillstånd detekteras indirekt. Denna typ av kontroll av molekylära joner - flera atomer bundna och bär anelektriska laddningar - kan leda till mer sofistikerade arkitekturer för kvantinformationsbehandling, förstärka signaler i grundläggande fysikforskning som att mäta "rundheten" i elektronens form, och öka kontrollen av kemiska reaktioner.

Forskningen beskrivs i 11 maj -numret av Natur och utfördes i NIST Boulder -gruppen som demonstrerade den första laserkylningen av atomjoner 1978.

"Vi utvecklade metoder som är tillämpliga på många typer av molekyler, "NIST-fysikern James ChinwenChou sa. "Vilket trick du än kan spela med atomjoner är nu inom räckhåll med molekylära joner. Nu kommer molekylen att "lyssna" på dig – frågar, i själva verket, 'Vad vill du att jag ska göra?'"

"Detta är jämförbart med när forskare först kunde laserkyla och fånga atomer, öppnar slussarna för tillämpningar inom precisionsmätning och informationsbehandling. Det är vår dröm att uppnå allt det här med molekyler, " lade Chou till.

Jämfört med atomer, molekyler är svårare att kontrollera eftersom de har mer komplexa strukturer som involverar många elektroniska energinivåer, vibrationer och rotationer. Molekyler kan bestå av många olika antal och kombinationer av atomer och vara lika stora som DNA -strängar som är mer än en meter långa.

NIST -metoden hittar kvanttillståndet (elektroniskt, vibrations, och roterande) av den molekylära jonen genom att överföra informationen till en andra jon, i detta fall en atomjon, som kan laserkylas och styras med tidigare kända tekniker. Lånar idéer från NIST:s kvantlogik, forskarna försöker manipulera molekyljonen och, om det lyckas, starta en synkroniserad rörelse i jonparet. Manipulationen väljs så att den bara kan utlösa rörelsen om molekylen befinner sig i ett visst tillstånd. Svaret "ja" eller "nej" signaleras av atomjonen. Tekniken är väldigt skonsam, indikerar molekylens kvanttillstånd utan att förstöra dem.

"Molekylen jigglar bara om den är i rätt tillstånd. Atomen känner att den jigglar och kan överföra jiggle till en ljussignal vi kan ta upp, "sa seniorförfattaren Dietrich Leibfried." Det här är som punktskrift, som låter människor känna vad som skrivs istället för att se det. Vi känner molekylens tillstånd istället för att se det och atomjonen är vårt mikroskopiska finger som gör att vi kan göra det. "

"Dessutom, metoden bör vara tillämplig på en stor grupp molekyler utan att ändra inställningen. Detta är en del av NIST:s grunduppdrag, att utveckla precisionsmätverktyg som kanske andra människor kan använda i sitt arbete, "Tillade Leibfried.

För att utföra experimentet, NIST-forskare har tagit bort gammal men fortfarande funktionell utrustning, inklusive anjonfälla som används i ett kvantteleportationsexperiment 2004. De lånade också laserljus från ett pågående experiment med kvantlogik i samma labb.

Forskarna fångade två kalciumjoner med bara några miljondels meter från varandra i en högvakuumkammare vid rumstemperatur. Vätgas läcktes in i vakuumkammaren tills ett kalciumjon reagerade för att bilda en kalciumhydrid (CaH+) molekyljon som var gjord av en kalciumjon och en väteatom bunden till varandra.

Som ett par pendlar som är kopplade med en fjäder, de två jonerna kan utveckla en gemensam rörelse på grund av deras fysiska närhet och den frånstötande interaktionen mellan deras elektriska laddningar. Forskarna använde en laser för att kyla atomjonen, därigenom kyler också molekylen till det lägsta energitillståndet. Vid rumstemperatur, molekyljonen är också i sitt lägsta elektroniska och vibrationella tillstånd men förblir i en blandning av rotationstillstånd.

Forskarna applicerade sedan pulser av infrarött laserljus - inställda för att förhindra förändringar i jonernas elektroniska eller vibrationella tillstånd - för att driva en unik övergång mellan två av mer än 100 möjliga rotationsstater i molekylen. Om denna övergång inträffade, en energikvantum lades till de två jonernas gemensamma rörelse. Forskare applicerade sedan en extra laserpuls för att omvandla förändringen i den delade rörelsen till en förändring i atomjonens inre energinivå. Atomen började sedan sprida ljus, signalerar att molekyljonens tillstånd hade förändrats och att det var i önskat måltillstånd.

Senare, forskare kan sedan överföra rörelsemängd från det ljus som emitteras och absorberas under laserinducerade övergångar till, till exempel, orientera molekylens rotationsläge i önskad riktning.

De nya teknikerna har ett brett utbud av möjliga tillämpningar. Andra NIST -forskare vid JILA använde tidigare lasrar för att manipulera moln av specifika laddade molekyler på vissa sätt, men den nya NIST -tekniken kan användas för att styra många olika typer av större molekyljoner på fler sätt, Chousaid.

Molekyljoner erbjuder fler alternativ än atomjoner för lagring och konvertering av kvantinformation, Sa Chou. Till exempel, de kan erbjuda mer mångsidighet för distribution av kvantinformation till olika typer av hårdvara, till exempel supraledande komponenter.

Metoden skulle också kunna användas för att svara på djupa fysikfrågor som huruvida grundläggande "konstanter" i naturen förändras över tiden. Kalciumhydridmolekyljonen har identifierats som en kandidat för att besvara sådana frågor. Dessutom, för mätningar av elektronens elektriska dipolemoment (en kvantitet som indikerar rundheten hos partiklarnas laddningsfördelning), förmågan att exakt styra alla aspekter av hundratals joner samtidigt skulle öka styrkan hos den signal som forskare vill mäta, Sa Chou.