Ученые уже давно освоили управление отдельными атомами, создавая на их основе высокоточные часы и компоненты квантовых компьютеров. Однако молекулы, представляющие собой соединения нескольких атомов, до недавнего времени оставались слишком сложными и непредсказуемыми для таких манипуляций.
Теперь физики из Национального института стандартов и технологий США (NIST) достигли почти идеального контроля над молекулой, что открывает новые горизонты для квантовых технологий и химических исследований.
Молекулы значительно более сложные, чем атомы: они способны 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, изменяющую свой вид при каждом повороте. Эта сложность делает молекулы восприимчивыми к изменениям окружающей среды — например, к температуре. И именно такая повышенная чувствительность долгое время мешала ученым контролировать молекулы.
«Если частица слишком чувствительна, это может как мешать работе, так и давать преимущество — все зависит от того, как это использовать», — подчеркивает физик Дитрих Лейбфрид из NIST. Чтобы обуздать эту чувствительность, авторы исследования применили технику квантовой логической спектроскопии — ее ранее разработали для сверхточных атомных часов и теперь адаптировали для работы с молекулами.
Исследователи 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. Определить состояние молекулы при помощи лазера практически невозможно — она почти не реагирует на свет, в то время как кальциевый ион отлично «слышит» лазерные импульсы и выполняет роль посредника. Охладив его с помощью лазеров, физики замедлили движение молекулы — ведь, находясь в ловушке, молекула и ион кальция образовали единую систему. Благодаря стабилизации иона кальция ученым удалось стабилизировать и молекулу, «заморозив» ее состояние в десять раз дольше, чем при обычной температуре.
Когда исследователи направили лазер для изменения вращения молекулы, ион-помощник мгновенно «заметил» это и ответил слабой вспышкой света — сигналом о том, что команда выполнена. Затем молекулу вернули в исходное положение, и вспышка повторилась. Таким образом, ученым удалось добиться почти идеального 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».
