Теперь физики из Национального института стандартов и технологий США (NIST) добились почти идеального контроля над молекулой, что открывает новые возможности для квантовых технологий и химических исследований.
Молекулы гораздо сложнее атомов: они могут вращаться и вибрировать, принимая множество различных состояний. Если атом можно представить как шарик, который выглядит одинаково с любой стороны, то даже самая простая молекула напоминает асимметричную гантель, меняющую свой вид при каждом повороте. Эта сложность делает молекулы чувствительными к изменениям окружающей среды — например, к температуре. И именно повышенная чувствительность долгое время мешала ученым контролировать молекулы.
«Если частица слишком чувствительна, это может мешать работе или, наоборот, давать преимущество — все зависит от того, как это использовать», — отмечает физик Дитрих Лейбфрид из NIST. Чтобы эту чувствительность обуздать, авторы исследования применили технику квантовой логической спектроскопии — ее придумали раньше для сверхточных атомных часов, а теперь адаптировали для молекул.
Ученые поместили в одну ловушку два заряженных объекта — ион кальция и молекулу гидрида кальция. Их одинаковые заряды заставляли их отталкиваться друг от друга, словно между ними находится сжатая пружина. Считать состояние молекулы при помощи лазера на практике невозможно — она на свет почти не реагирует, зато кальциевый ион отлично «слышит» лазерные импульсы и действует как посредник. Охладив его с помощью лазеров, физики замедлили и движение молекулы — ведь, находясь в ловушке, молекула и ион кальция оказались связаны в единой системе. Так через стабилизацию иона кальция ученым удалось стабилизировать и молекулу, «заморозив» ее состояние в десять раз дольше, чем при комнатной температуре.
Когда ученые направили лазер, чтобы поменять вращение молекулы, ион‑помощник мгновенно «заметил» это и ответил слабой вспышкой света — своеобразным сигналом, что команда выполнена. Затем молекулу повернули обратно, и вспышка повторилась. Так ученым удалось добиться практически безупречного контроля над квантовым состоянием молекулы.
«Чтобы контролировать частицу, нам нужно зафиксировать ее в одном конкретном состоянии. Молекула может находиться в огромном количестве состояний из-за вращения и вибрации, — объясняет соавтор работы Далтон Чаффи. — Это, по сути, и делает молекулы гораздо более сложными для контроля, чем атомы».
Возможность тончайшего управления сложными молекулами открывает путь к новым квантовым сенсорам, сверхточным приборам и даже исследованиям фундаментальных законов природы. Ведь чем лучше мы умеем «слушать» танец атомов и молекул, тем ближе подходим к тому, чтобы заставить их танцевать под нашу, научную музыку.
Ранее российские ученые научились управлять коллективным колебанием электронов.