激光冷卻控制技術(shù)實(shí)現新突破 為量子器件制備提供方向

激光冷卻控制技術(shù)實(shí)現新突破 為量子器件制備提供方向

　　美國國家標準技術(shù)研究所（NIST）的物理學(xué)家們采用和原子鐘實(shí)驗中一樣的邏輯，找到了控制單個(gè)帶電分子，或者離子團（molecular ions）的量子性質(zhì)的方法。

    這項新技術(shù)達成了一個(gè)難以觸及的目標：使分子在激光冷卻下的可控度達到了和原子相當的水平。對原子的量子態(tài)控制曾使原子物理領(lǐng)域發(fā)生翻天覆地的變化，也為原子鐘一類(lèi)的應用打下基墊。但是，將激光冷卻技術(shù)（lasercooling）應用到結構更復雜的分子上是一件挑戰的任務(wù)。

    NIST 發(fā)明的這項新技術(shù)仍用到了激光——但只用來(lái)輕觸分子，并不擾亂它的量子態(tài)，從而做到精確控制離子團，實(shí)現放大信號、測量電子分布平均度、激發(fā)化學(xué)反應以及提高量子信息的處理效率。

    5月11日，NIST的Boulder小組在《自然》雜志發(fā)表了這項研究。同組人員于1978年次演示了單原子離子的激光冷卻。

    “我們研制出的方法可以應用于多種分子，”NIST物理學(xué)家周清文（James Chinwen Chou）說(shuō)，“現有的任何在原子上可實(shí)行的操控，都可以應用到分子上。”

    周清文補充道：“這和人們次發(fā)現原子的控制方法一樣有意義。無(wú)論是在精確計量學(xué)還是信息處理領(lǐng)域，激光冷卻原子使其陷入勢井的方法，打開(kāi)了無(wú)數應用的大門(mén)。實(shí)現同等的對分子的控制一直是我們的夢(mèng)想。”

    和原子相比，分子由于具有不同電子能級、振動(dòng)頻率和角動(dòng)量而體現出更復雜的結構。由多個(gè)原子成鍵而形成的分子可能和DNA鏈式結構一樣長(cháng)，有時(shí)長(cháng)度可以超過(guò)一米。

    這項研究在實(shí)驗上的一大創(chuàng )舉，就是使用了間接探測的方法來(lái)測量離子團的量子態(tài)，即把離子團的信息傳遞到另一個(gè)原子離子上。這樣一來(lái)，就可以用已經(jīng)成熟的技術(shù)進(jìn)行測量，隨后倒推出分子離子的量子態(tài)。

    這樣的實(shí)驗構架靈感源于 NIST 量子邏輯鐘，而這樣的實(shí)驗方式的好處就是能夠在不破壞分子離子量子態(tài)的前提下完成探測。

在具體操作中，NIST研究人員動(dòng)用了現有的各種儀器資源，包括2004年的量子傳送實(shí)驗中用到的負電子井。他們還從現進(jìn)行的量子邏輯鐘實(shí)驗室借來(lái)了激光設備。

    研究人員在含有兩個(gè)鈣離子（僅有微米間隔）的高真空腔中緩慢注入氫氣，直到形成由一個(gè)鈣離子和一個(gè)氫原子組成的CaH+離子團。

    在如此近的距離下，兩個(gè)離子因原子間作用產(chǎn)生的引力以及因電荷產(chǎn)生斥力，且在同一軸上，最終產(chǎn)生了一種類(lèi)似彈簧的運動(dòng)效果。

    研究人員隨后用激光束冷卻其中一個(gè)單原子離子；整個(gè)離子團也會(huì )由于中間的分子鍵的存在而冷卻至最低的能級狀態(tài)。在室溫下，其電子軌道能級是和振動(dòng)狀態(tài)是最低的，但仍保留了一定的角動(dòng)量。

    在下一步，研究人員使用紅外激光脈沖，在不改變離子團振動(dòng)能級的前提下，使分子躍遷到一個(gè)特定的轉動(dòng)能級（總共有100多個(gè)）。這個(gè)躍遷會(huì )在共運動(dòng)中加入一個(gè)光子的能量。

    研究者們接著(zhù)再次使用激光束，把共運動(dòng)能量的變化轉換為原子離子的內部能級變化。這樣的能級變化將使得原子離子散射光線(xiàn)（scattering），進(jìn)而指示出分子離子的狀態(tài)變化。

    這樣，研究者通過(guò)控制發(fā)射激光角動(dòng)量，同時(shí)根據散射光線(xiàn)角動(dòng)量帶來(lái)的反饋信息，不斷調整離子團的角動(dòng)量，直到達到預定的特定狀態(tài)。

    這項新技術(shù)應用范圍十分廣泛。雖然之前NIST旗下的實(shí)驗天體物理聯(lián)合研究所（JILA）也曾使用激光操控帶電的分子云，但這項新技術(shù)可應用的離子團更為廣泛，可操作方式也更多。

    在量子信息轉化和存儲方面，離子團能夠比單原子離子提供更多選擇。例如，能夠用更靈活多樣的辦法向超導體等硬件分布量子信息。

    文章的senior auther*迪特里希·萊布弗里德（Dietrich Leibfried）表示：“使用同樣的設備，這種方法能廣泛地用來(lái)測量許多不同的分子。NIST的基本目標之一就是發(fā)明能讓其他研究者也能使用的精確測量方法。”。

    最后周清文表示，這項技術(shù)還可以用來(lái)解決更深層次的物理問(wèn)題，比如自然中的基本“常量”是否會(huì )隨時(shí)間變化。實(shí)際上CaH+離子團就是回答這一疑問(wèn)的候選人之一。另外，測量電子的電偶極矩（一種表示電子分布均衡度的特質(zhì)）時(shí)，這種能夠精確地同步控制上百個(gè)離子的方法可以對于統計科學(xué)家來(lái)說(shuō)無(wú)疑是巨大的福音。

　編輯點(diǎn)評

利用激光和原子的相互作用減速原子運動(dòng)以獲得超低溫原子的高新技術(shù)——激光冷卻技術(shù)（lasercooling），目前屬于最前沿的科學(xué)技術(shù)，被廣泛應用在在半導體材料、液體等方面，超高的低溫院子冷卻技術(shù)解決了諸多技術(shù)難題。