科學(xué)家找到限定帶電分子新方法 有望增強(qiáng)化學(xué)反應(yīng)控制

美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院（NIST）的研究小組最近宣布解決了一個(gè)棘手的科學(xué)難題，即如何控制單個(gè)帶電分子或分子離子的量子特性。關(guān)鍵是：利用擬用于未來量子計(jì)算機(jī)運(yùn)算的類似“量子邏輯”操作。

新技術(shù)像激光冷卻和其它技術(shù)控制原子一樣有效控制分子，具有廣泛的應(yīng)用潛力。原子的量子控制將改變?cè)游锢韺W(xué)，諸如原子鐘一樣的應(yīng)用，但激光冷卻與控制分子是非常有挑戰(zhàn)性，因?yàn)榉肿颖仍訌?fù)雜得多。新技術(shù)仍然使用激光，但只能輕微探測到分子，其量子狀態(tài)只能間接檢測到。這種類型的分子離子控制，即幾個(gè)帶電原子結(jié)合在一起，可以導(dǎo)致更加復(fù)雜的量子信息處理架構(gòu)，放大了基本物理研究信號(hào)，例如測量電子形狀的“圓度”，并且增加了化學(xué)反應(yīng)的控制。

NIST通過將信息轉(zhuǎn)移到原子離子的方法來找到分子離子的量子態(tài)，而量子態(tài)可以用激光冷卻和控制。借鑒NIST量子邏輯時(shí)鐘的想法，研究人員試圖操縱分子離子。NIST研究人員利用離子阱和正在進(jìn)行量子邏輯時(shí)鐘實(shí)驗(yàn)的激光，在室溫下高真空室中，捕獲了兩個(gè)離子相距幾百萬分之一的鈣離子。氫氣泄漏到真空室中，直到一個(gè)鈣離子反應(yīng)形成由一個(gè)鈣離子和一個(gè)氫原子結(jié)合在一起的氫化鈣分子離子。

研究人員使用激光來冷卻原子離子，從而將分子冷卻到最低能量狀態(tài)。在室溫下，分子離子也處于其最低的電子和振動(dòng)狀態(tài)，但保持在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)的混合物中。研究人員應(yīng)用紅外激光脈沖調(diào)制以防止離子的電子或振動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化，以驅(qū)動(dòng)分子在超過100種可能旋轉(zhuǎn)狀態(tài)中的兩種之間的轉(zhuǎn)化，再用一個(gè)額外的激光脈沖來轉(zhuǎn)換共享運(yùn)動(dòng)的變化，改變?cè)与x子的內(nèi)部能量水平。之后，原子離子開始散射光，表明分子離子的狀態(tài)已經(jīng)改變，并且處于期望的目標(biāo)狀態(tài)。隨后，研究人員可以將激光誘導(dǎo)躍遷期間發(fā)射和吸收的光角傳遞到例如定向分子在所需方向的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)。

該研究發(fā)表于5月11日的《自然》雜志上，由NIST博德（Boulder）小組執(zhí)行。該小組曾于1978年進(jìn)行過次原子激光冷卻實(shí)驗(yàn)。

編輯點(diǎn)評(píng)

控制單個(gè)帶電分子或分子離子的量子特性新技術(shù)，未來或?yàn)闇y量電子形狀的“圓度”，并且增加化學(xué)反應(yīng)的控制提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持。