Natuurkundigen van het National Institute of Standards and Technology (NIST) hebben de schijnbaar onhandelbare puzzel opgelost over hoe de kwantumeigenschappen van individuele geladen moleculen kunnen worden gecontroleerd, of moleculaire ionen. De oplossing is om dezelfde soort 'kwantumlogica' te gebruiken die een experimentele NIST-atoomklok aandrijft.

De nieuwe techniek bereikt een ongrijpbaar doel, het beheersen van moleculen net zo effectief als laserkoeling en andere technieken kunnen atomen controleren. Quantumcontrole van atomen heeft een revolutie teweeggebracht in de atoomfysica, leidend tot toepassingen zoals atoomklokken. Maar laserkoeling en beheersing van moleculen is buitengewoon uitdagend omdat ze veel complexer zijn dan atomen.

De NIST-techniek maakt nog steeds gebruik van een laser, maar alleen om het molecuul voorzichtig te onderzoeken; zijn kwantumtoestand wordt indirect gedetecteerd. Dit type controle van moleculaire ionen - verschillende atomen die aan elkaar zijn gebonden en een elektrische lading dragen - zou kunnen leiden tot meer geavanceerde architecturen voor de verwerking van kwantuminformatie, signalen versterken in fundamenteel natuurkundig onderzoek, zoals het meten van de "rondheid" van de vorm van het elektron, en boost controle van chemische reacties.

Het onderzoek wordt beschreven in het nummer van 11 mei van: Natuur en werd uitgevoerd in de NIST Boulder-groep die de eerste laserkoeling van atomaire ionen in 1978 demonstreerde.

"We hebben methoden ontwikkeld die toepasbaar zijn op veel soorten moleculen, "NIST-natuurkundige James ChinwenChou zei. "Welke truc je ook met atomaire ionen kunt spelen, is nu binnen handbereik met moleculaire ionen. Nu zal het molecuul naar je 'luisteren' en vragen:in werkelijkheid, 'Wat wil je dat ik doe?'"

"Dit is vergelijkbaar met wanneer wetenschappers eerst atomen konden koelen en vangen, de sluizen openen voor toepassingen in precisiemetrologie en informatieverwerking. Het is onze droom om al deze dingen te bereiken met moleculen, " voegde Cho toe.

Vergeleken met atomen, moleculen zijn moeilijker te controleren omdat ze complexere structuren hebben met veel elektronische energieniveaus, trillingen en rotaties. Moleculen kunnen uit veel verschillende aantallen en combinaties van atomen bestaan ​​en zo groot zijn als DNA-strengen van meer dan een meter lang.

De NIST-methode vindt de kwantumtoestand (elektronisch, vibrerend, en rotatie) van het moleculaire ion door de informatie over te dragen naar een tweede ion, in dit geval een atomair ion, die met eerder bekende technieken met laser kan worden gekoeld en bestuurd. Ideeën lenen van de kwantumlogische klok van NIST, onderzoekers proberen het moleculaire ion te manipuleren en, indien succesvol, veroorzaakt een gesynchroniseerde beweging in het ionenpaar. De manipulatie is zo gekozen dat deze alleen de beweging kan activeren als het molecuul zich in een bepaalde staat bevindt. Het "ja" of "nee" antwoord wordt aangegeven door het atomaire ion. De techniek is heel zacht, geeft de kwantumtoestanden van het molecuul aan zonder ze te vernietigen.

"Het molecuul schudt alleen als het in de juiste staat is. Het atoom voelt dat schudden en kan het schudden omzetten in een lichtsignaal dat we kunnen opvangen, senior auteur Dietrich Leibfried zei. "Dit is net als braille, waardoor mensen kunnen voelen wat er staat in plaats van het te zien. We voelen de toestand van het molecuul in plaats van het te zien en het atomaire ion is onze microscopische vinger die ons in staat stelt om dat te doen."

"Bovendien, de methode moet toepasbaar zijn op een grote groep moleculen zonder de opstelling te veranderen. Dit maakt deel uit van de basismissie van NIST, om precisiemeetinstrumenten te ontwikkelen die andere mensen misschien kunnen gebruiken in hun werk, " voegde Leibfried eraan toe.

Om het experiment uit te voeren, NIST-onderzoekers verzamelden oude maar nog steeds functionele apparatuur, inclusief anionval gebruikt in een kwantumteleportatie-experiment uit 2004. Ze leenden ook laserlicht van een lopend experiment met kwantumlogica-klokken in hetzelfde laboratorium.

De onderzoekers vingen twee calciumionen op slechts een paar miljoenste van een meter van elkaar op in een hoogvacuümkamer bij kamertemperatuur. Waterstofgas werd in de vacuümkamer gelekt totdat één calciumion reageerde om een ​​calciumhydride (CaH+) moleculair ion te vormen, gemaakt van één calciumion en één waterstofatoom aan elkaar gebonden.

Als een paar slingers die zijn gekoppeld door een veer, de twee ionen kunnen een gedeelde beweging ontwikkelen vanwege hun fysieke nabijheid en de afstotende interactie van hun elektrische ladingen. De onderzoekers gebruikten een laser om het atomaire ion te koelen, daardoor koelt het molecuul ook af tot de toestand met de laagste energie. Op kamertemperatuur, het moleculaire ion bevindt zich ook in zijn laagste elektronische en vibrerende toestand, maar blijft in een mengsel van roterende toestanden.

De onderzoekers pasten vervolgens pulsen van infrarood laserlicht toe - afgestemd om veranderingen in de elektronische of trillingstoestanden van de ionen te voorkomen - om een ​​unieke overgang te bewerkstelligen tussen twee van de meer dan 100 mogelijke rotatietoestanden van het molecuul. Als deze overgang heeft plaatsgevonden, één kwantum energie werd toegevoegd aan de gedeelde beweging van de twee ionen. Onderzoekers pasten vervolgens een extra laserpuls toe om de verandering in de gedeelde beweging om te zetten in een verandering in het interne energieniveau van het atomaire ion. Het atomaire ion begon toen licht te verstrooien, signalerend dat de toestand van het moleculaire ion was veranderd en dat het zich in de gewenste doeltoestand bevond.

Vervolgens, onderzoekers kunnen vervolgens impulsmoment overbrengen van het licht dat wordt uitgezonden en geabsorbeerd tijdens laser-geïnduceerde overgangen naar, bijvoorbeeld, oriënteer de rotatietoestand van het molecuul in een gewenste richting.

De nieuwe technieken kennen een breed scala aan toepassingsmogelijkheden. Andere NIST-wetenschappers van JILA gebruikten eerder lasers om wolken van specifieke geladen moleculen op bepaalde manieren te manipuleren, maar de nieuwe NIST-techniek zou kunnen worden gebruikt om veel verschillende soorten grotere moleculaire ionen op meer manieren te controleren, Chousaid.

Moleculaire ionen bieden meer mogelijkheden dan atomaire ionen voor het opslaan en omzetten van kwantuminformatie, zei Cho. Bijvoorbeeld, ze zouden meer veelzijdigheid kunnen bieden voor het distribueren van kwantuminformatie naar verschillende soorten hardware, zoals supergeleidende componenten.

De methode kan ook worden gebruikt om diepgaande natuurkundige vragen te beantwoorden, zoals of fundamentele "constanten" van de natuur in de loop van de tijd veranderen. Het moleculaire ion calciumhydride is geïdentificeerd als een kandidaat voor het beantwoorden van dergelijke vragen. In aanvulling, voor metingen van het elektrische dipoolmoment van het elektron (een grootheid die de rondheid van de ladingsverdeling van de deeltjes aangeeft), het vermogen om alle aspecten van honderden ionen tegelijkertijd nauwkeurig te controleren, zou de sterkte van het signaal dat wetenschappers willen meten vergroten, zei Cho.