Qua grootte, het is misschien wel de kleinste wetenschappelijke doorbraak ooit gemaakt op Harvard.

Harvard Assistant Professor of Chemistry and Chemical Biology Kang-Kuen Ni en collega's hebben voor het eerst twee atomen gecombineerd tot wat onderzoekers een dipolair molecuul noemen. Het werk wordt beschreven in een nieuw artikel gepubliceerd in Wetenschap .

Onderzoekers zeggen dat de ontdekking een grote belofte inhoudt voor de toekomst van kwantumcomputing, aangezien het dipolaire molecuul een nieuw type qubit vormt, de kleinste eenheid van kwantuminformatie, wat kan leiden tot efficiëntere apparaten.

"De richting van de verwerking van kwantuminformatie is een van de dingen waar we enthousiast over zijn, " zei Ni. "We hebben moleculen nodig voor alle verschillende toepassingen in ons dagelijks leven. Echter, de moleculaire ruimte is zo groot, we kunnen het niet voldoende verkennen met de huidige computers. Als we kwantumcomputers hebben die mogelijk complexe problemen kunnen oplossen en de moleculaire ruimte efficiënt kunnen verkennen, de impact zal groot zijn."

Hoewel de ontwikkeling van die moleculen - en de computers die daarvan kunnen profiteren - veel meer onderzoek zal vergen, de huidige bevindingen tonen een niveau van precisiewerk aan dat niet eerder werd bereikt.

Atomen worden een molecuul wanneer ze aan elkaar zijn gebonden om een ​​chemische reactie te creëren; moleculen zijn uiteindelijk de bouwstenen van de chemie en het leven zelf. Laboratoria hebben in het verleden moleculen gemaakt door clusters van atomen te combineren, en de reacties werden vervolgens gemeten in termen van gemiddelden. Het doel was om meer inzicht te krijgen in hoe moleculen op elkaar inwerken, en om controles voor reactiechemie mogelijk te maken en nieuwe kwantummaterialen te ontwerpen.

Het team onder leiding van Ni, echter, begon met slechts twee atomen, een natrium en een cesium, die werden afgekoeld tot extreem lage temperaturen waar nieuwe kwantumfasen voorbij gas, vloeistof, en solide zou ontstaan. Onderzoekers vingen vervolgens de atomen met behulp van lasers en voegden ze samen in een optische dipoolval. Terwijl de twee atomen zich in een "opgewonden toestand" bevonden, dat wil zeggen, elektrisch geladen door de laser - de reactie om een ​​molecuul te maken kan plaatsvinden.

"Het is waar dat voor elke reactie, "Ni zei, "Atomen en moleculen combineren individueel op microscopisch niveau. Wat we anders hebben gedaan, is om er meer controle over te krijgen. We pakken twee verschillende soorten individuele atomen met een optisch pincet en laten een laserpuls schijnen om ze te binden. Het hele proces vindt plaats in een ultrahoog vacuüm, met een zeer lage luchtdichtheid."

Hoewel van korte duur, de reactie bewees dat een molecuul kon worden gevormd door gebruik te maken van de laserstimulus, in plaats van extra atomen, als de katalysator.

Ni zei dat een volgende stap zou zijn om atomen te combineren in een "grond, " of niet elektrisch opgewonden, staat, met als doel het creëren van moleculaire reacties met een langere levensduur. De hoop, voegde ze eraan toe, is dat als één dipolair molecuul in het laboratorium kan worden gemaakt, grotere en complexere kunnen zijn, te.

"Ik denk dat veel wetenschappers zullen volgen, nu we hebben laten zien wat mogelijk is, " zei Ni. "Deze studie werd gemotiveerd door een paar verschillende dingen. In het algemeen, we zijn geïnteresseerd in een fundamentele studie om te zien hoe fysische interactie en chemische reactie bijdragen aan het complex maken van fenomenen. We wilden het eenvoudigste geval nemen, de wetten van de kwantummechanica, die de onderliggende natuurwetten zijn. Onze kwantumstukken zullen zich dan opbouwen tot iets complexers; dat was de aanvankelijke drijfveer. Het werk is zeker niet af, maar dit is een doorbraak."