三号公司：哈佛大学的研究人员捕获了单个三Atom分子。 （图片来源：iStock/Emilija Randjelovic）
单个多Atom分子首次被捕获在光镊阵列中。 美国的研究人员能够控制三Atom分子的各个量子态，该技术可以在量子计算中找到应用，并探索标准模型之外的物理学。
将分子冷却到接近绝对零的温度是超冷物理学中一个令人兴奋的前沿领域，因为它提供了一个了解量子力学如何驱动化学过程的窗口。 几十年来，物理学家一直在将Atom冷却到超冷温度。 然而，分子的冷却更具挑战性，因为它们可以在更多的自由度（旋转和振动）中保存能量，而冷却分子需要消除所有这些能量。 双Atom分子已经取得了相当大的成功，但每增加一个Atom，自由度就会急剧增加，因此较大分子的进展受到更多限制。
现在，哈佛大学的约翰·道尔 (John Doyle)、纳撒尼尔·维拉斯 (Nathaniel Vilas) 和同事已将单个三Atom分子冷却至量子基态。 每个分子包含一个钙、一个氧和一个氢Atom。
线性几何
“我们喜欢这个分子的主要一点是，在基态下，它具有线性几何形状，”维拉斯解释说，“但它具有一个具有弯曲几何形状的低位激发态……这给了你一个额外的旋转自由度。”
2022 年，包括 Vilas 和 Doyle 在内的团队在磁光陷阱中将这些分子云冷却至 110 μK。 然而，此前从未有人将含有两个以上Atom的单个分子冷却至其量子基态。
在这项新工作中，维拉斯和同事将他们的分子从磁光陷阱加载到由六个相邻光镊陷阱组成的阵列中。 他们使用激光脉冲将一些分子提升到激发态：“因为这种激发态分子有更大的横截面供分子相互作用，”维拉斯说，“所以地面之间存在一些偶极子相互作用。态和激发态，这会导致非弹性碰撞，并且它们会从陷阱中迷失。” 使用这种方法，研究人员将几乎所有镊子陷阱中的分子数量减少到只有一个。
在继续对分子进行成像之前，研究人员必须决定光镊应使用什么波长的光。 核心要求是镊子不得在黑暗状态下引起意外的兴奋。 这些是激光探针不可见的分子量子态。 分子的能量结构非常复杂，以至于许多高位态尚未被分配给分子的任何运动，但研究人员凭经验发现，波长为 784.5 nm 的光导致的损失最小。
人口增持
然后，研究人员使用 609 nm 激光驱动从三个Atom排成一条线的分子线性配置到线弯曲的振动模式的传输。 这些分子处于三个近简并自旋子能级的组合中。 随后用 623 nm 激光暴涨浦分子，将分子激发至某种状态，该状态要么衰变回原始亚能级之一，要么衰变至不吸收激光的第四个较低能量亚能级。 因此，随着反复的激发和衰变，人口在较低的亚层中增持。
最后，研究人员表明，小型射频磁场可以驱动系统两个能级之间的拉比振荡。 这对于量子计算的未来研究非常重要：“几何形状对当前的工作没有任何影响……我们有这六个陷阱，每个陷阱的行为完全独立，”维拉斯说。 “但是你可以将每个量子位视为一个独立的分子量子位，因此我们的目标是开始在这些量子位上实施门。” 甚至可以以多个正交自由度对信息进行编码，从而创建比量子位携带更多信息的“量子”。
其他可能性包括寻找新的物理学。 “由于这些分子的不同结构，结构与不同类型的新物理学之间存在耦合——无论是暗物质还是超出标准模型的高能粒子，将它们控制在我们现在的水平将使光谱方法变得更加可行。更加敏感，”维拉斯说。
新泽西州普林斯顿大学的劳伦斯·卓克 (Lawrence Cheuk) 表示：“这在某种程度上是该领域的里程碑，因为它表明我们甚至可以控制具有两个以上Atom的单个分子。” “如果添加第三个Atom，就会得到弯曲模式，这在某些应用中非常有用。 因此，在同一项工作中，道尔小组不仅表明他们可以捕获和检测单个三Atom组：他们还表明他们可以以连贯的方式操纵这些三Atom组内部的弯曲模式。” 他对是否可以操纵更大的分子很感兴趣，从而开启了对手性等特征的研究。
这项研究在《自然》杂志上有描述。
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