Физики из Национального института стандартов и технологий (NIST) совершили существенный прорыв в области квантовой физики, сумев взять под контроль молекулярный ион моногидрида кальция — соединение, состоящее из атома водорода и атома кальция. Это открытие прокладывает дорогу к новым достижениям в квантовых технологиях, углублённому изучению химических процессов и исследованию неизведанных областей физики.
Сложность работы с молекулами кроется в их природной многогранности: из‑за постоянных вращений и колебаний они способны пребывать в множестве различных состояний одновременно. По словам Далтона Чаффи, возглавляющего исследовательскую группу, именно эта особенность делает управление молекулами куда более трудоёмким процессом по сравнению с манипуляциями над отдельными атомами.
Для решения этой непростой задачи учёные обратились к методу квантовой логической спектроскопии. Изначально эта технология была создана для усовершенствования атомных часов на основе ионов алюминия, но теперь нашла применение в новом контексте.
В основе эксперимента — хитроумная система взаимодействия двух частиц. Исследователи объединили ион кальция и молекулярный ион моногидрида кальция. Поскольку обе частицы обладают одинаковым зарядом, они отталкиваются друг от друга, образуя своеобразную динамическую пару, которую в пресс‑релизе сравнивают с двумя объектами, соединёнными натянутой пружиной.
Ключевым моментом стало использование лазерного охлаждения. Хотя моногидрид кальция демонстрирует слабую реакцию на лазерное излучение, ион кальция, напротив, прекрасно поддаётся такому воздействию. Охлаждая ион кальция, учёные добились замедления движения всей молекулярной пары. Как подчёркивает аспирантка Эйприл Шеффилд, этот этап имеет принципиальное значение: благодаря лазерному охлаждению молекулярное состояние удаётся сохранять в десять раз дольше по сравнению с условиями комнатной температуры.
Дальнейший процесс напоминает тонкий диалог между молекулой и её «наблюдателем». Направляя лазерный луч на молекулу, исследователи изменяют её вращательное движение. Непосредственно отследить эти изменения невозможно, однако ион кальция выступает в роли чувствительного индикатора: при смене направления вращения молекулы он реагирует испусканием фотонов, что проявляется в виде яркой световой вспышки. Когда молекуле подают сигнал вернуться в исходное состояние, ион вновь вспыхивает. Эти двойные вспышки служат чётким сигналом о квантовых скачках — переходах молекулы между различными состояниями.
Барух Маргулис, научный сотрудник NIST, делится своими впечатлениями от наблюдения за этим феноменом: возможность визуально фиксировать квантовые состояния иона через камеру представляется ему поистине захватывающим зрелищем.
Одним из важнейших открытий стало установление временного интервала стабильности молекулы. Выяснилось, что молекула способна сохранять своё вращательное состояние до 18 секунд, прежде чем внешнее тепловое излучение вынудит её изменить состояние. Этот промежуток времени открывает огромные возможности для многократных измерений и наблюдений.
Маргулис образно сравнивает процесс с игрой в прятки: как только тепловое воздействие переводит молекулу в иное состояние, световые сигналы от иона‑наблюдателя исчезают, и это изменение фиксируется практически мгновенно — в течение 10 миллисекунд.
Чтобы исключить случайность результатов, учёные проводили многократные проверки свечения иона кальция. Итоговая эффективность манипуляций достигла впечатляющих 99,8 % — из тысячи попыток успешными оказались 998.
Полученные результаты открывают широкие перспективы: метод может стать основой для работы с различными молекулами в решении специализированных квантовых задач, способствовать изучению физики за пределами Стандартной модели и, возможно, позволит управлять химическими реакциями на принципиально новом уровне. Несмотря на то что молекулы значительно сложнее в управлении по сравнению с атомами, они обладают потенциалом стать универсальными строительными блоками для будущих квантовых технологий.