فیزیکدانان NIST مولکول های سرکش را به حزب کوانتوم می آورند

دانشمندان در خم کردن اتم‌ها به میل خود جهش‌هایی انجام داده‌اند و آن‌ها را به همه چیز از ساعت‌های فوق دقیق گرفته تا داده‌های کوانتومی تبدیل کرده‌اند. ترجمه این فناوری‌های کوانتومی از اتم‌های مطیع به مولکول‌های سرکش می‌تواند امکانات بیشتری را ارائه دهد. مولکول ها می توانند بچرخند و ارتعاش کنند. این باعث می شود مولکول ها نسبت به تغییرات خاصی در محیط مانند دما حساس تر شوند.

دیتریش لیبفرید، فیزیکدان NIST، می گوید: «اگر به چیزی حساس هستید، می تواند یک نفرین باشد، زیرا دوست دارید حساس نباشید، یا می تواند یک موهبت باشد. “شما می توانید از این حساسیت به نفع خود استفاده کنید.”

اما همین حساسیت کنترل مولکول ها را دشوار کرده است. اخیراً فیزیکدانان مؤسسه ملی استاندارد و فناوری (NIST) به سطوح جدیدی از کنترل مولکول ها دست یافته اند. در مطالعه ای که در نامه های بررسی فیزیکی، آنها توانستند یون مولکولی مونوهیدرید کلسیم را دستکاری کنند – که از یک اتم هیدروژن و یک اتم کلسیم تشکیل شده بود و یک الکترون از آن جدا شد تا به یک مولکول باردار تبدیل شود – با موفقیت تقریباً کامل. و این کنترل امکاناتی را برای فناوری کوانتومی، تحقیقات شیمیایی و کاوش در فیزیک جدید باز می کند.

پیکابو کوانتومی

مولکول ها نسبت به اتم های منفرد آزادی بیان بیشتری دارند. یک اتم ممکن است شبیه یک توپ باشد. مهم نیست که چگونه آن را بچرخانید یکسان به نظر می رسد. اما حتی یک مولکول ساده می تواند بسیار پیچیده تر باشد. مونوهیدرید کلسیم مانند یک دمبل کج به نظر می رسد، با دو اتم با اندازه ناهموار که روی یکدیگر چسبیده اند. به هر طرف که بچرخانید بسیار متفاوت به نظر می رسد.

دالتون چافی، نویسنده اصلی این مقاله گفت: “برای کنترل یک ذره، باید آن را در یک حالت خاص مشخص کنیم. یک مولکول به دلیل چرخش و ارتعاشش می تواند در تعداد زیادی حالت قرار گیرد.” “در اصل، این چیزی است که کنترل مولکول ها را بسیار سخت تر از اتم ها می کند.”

فیزیکدانان NIST می خواهند چرخش یا تکانه زاویه ای مولکول ها را کنترل کنند تا بتوانند کارهای مفیدی با آنها انجام دهند. اما بر خلاف اتم‌ها یا یون‌های منفرد، مولکول‌ها مانند نوجوانان پرخاشگر هستند. آنها برای نشان دادن جهت گیری خود با لیزرهای تیم “صحبت” نمی کنند.

برای به دست آوردن این کنترل، این تیم از تکنیکی به نام طیف‌سنجی منطق کوانتومی استفاده کرد که برای اولین بار برای افزایش دقت و دقت ساعت‌های ساخته شده از اتم‌های آلومینیومی (یون‌های) با بار الکتریکی ایجاد شد. محققان برای برقراری ارتباط با یون مولکولی خود، از یون کلسیم به عنوان کمک کننده استفاده کردند. آنها یون کمک کننده کلسیم و مولکول مونوهیدرید کلسیم باردار را با هم به دام انداختند و از آنجایی که آنها به یک اندازه بار دارند، به طور طبیعی یکدیگر را دفع می کنند. لایبفرید گفت، به آنها فکر کنید که گویی توسط یک فنر پر بار بین آنها از هم جدا شده اند.

مونوهیدرید کلسیم به خوبی با لیزر برهمکنش نمی‌کند، اما یون کلسیم سولو تعامل دارد. محققان با استفاده از لیزر، یون کلسیم را خنک کرده و حرکت آن را کند می کنند. همانطور که کلسیم حرکت خود را کاهش می دهد، دوست مولکولی آن نیز کاهش می یابد. آوریل شفیلد، دانشجوی فارغ التحصیل، خاطرنشان کرد که خنک کردن مولکول بسیار مهم است. و علاوه بر خنک کننده لیزری، یک محیط سرد به دانشمندان اجازه می دهد تا 10 برابر بیشتر از زمانی که در دمای اتاق می توانند حالت مولکولی را بدون تغییر نگه دارند.

سپس محققان لیزری را روی مولکول می تابانند تا چرخش آن را تغییر دهد. آنها نمی توانند تشخیص دهند که مولکول در حال چرخش است یا خیر، اما یون کلسیم می تواند. هنگامی که مولکول چرخش خود را تغییر می دهد، یون کلسیم کمکی آن را می گیرد و فلاش کوچکی از فوتون ها را آزاد می کند که محققان آن را به عنوان یک نقطه روشن می بینند. آنها به مولکول می گویند که چرخش را به عقب تغییر دهد و یون کلسیم دوباره چشمک می زند.

آن فلاش مضاعف یون کلسیم، دو جهش کوانتومی یا دو پرش بین دو حالت مختلف مولکول را نشان می دهد. باروخ مارگولیس، همکار فوق دکترای NIST، گفت که مشاهده آن سطح از کنترل کوانتومی در عمل، به عنوان یک دانشمند راضی کننده است.

او گفت: “این مکانیک کوانتومی است. در آزمایشگاه ما، ما می توانیم با دوربین ببینیم که آیا یون ما در یک حالت کوانتومی یا حالت دیگر قرار دارد، که به نظر من فوق العاده عالی است.” “دیدن آن با چشمان خود بسیار جذاب است.”

مولکول می تواند حدود 18 ثانیه در حالت چرخشی خود باقی بماند تا اینکه تابش حرارتی اطراف مولکول را مجبور به تغییر حالت خود کند و یون چشمک زن متوقف شود. مارگولیس خاطرنشان کرد که این یکی از نتایج اصلی مطالعه آنها است. لایبفرید اضافه کرد که این 18 ثانیه مهم هستند، زیرا هزاران فرصت را در اختیار محققان قرار می دهد تا وضعیت مولکول را قبل از تغییر اندازه گیری کنند.

مارگولیس توضیح داد: “اگر بخواهید، این یک نوع بازی peekaboo است.” به محض اینکه تشعشعات حرارتی مولکول را به حالتی متفاوت سوق می دهد، فلاش های نور از یون ناظر متوقف می شود و ما می توانیم تقریباً همانطور که اتفاق می افتد، در عرض 10 میلی ثانیه یا بیشتر آن را ببینیم.

یک نگاه کردن به یون کافی نیست. دانشمندان بارها و بارها بررسی کردند که آیا یون کلسیم روشن است یا تاریک، و ثابت کردند که آنها بر وضعیت مولکول کنترل دارند و نتیجه تصادفی نبود. این تیم به نرخ موفقیت 99.8 درصدی دست یافت، به این معنی که اگر آنها 1000 تلاش برای دستکاری مولکول انجام می دادند، حدود 998 بار موفق بودند.

دماسنج های کوانتومی و مقابله با مولکول های دیگر

شفیلد توضیح داد که در طول آزمایش، مولکول به طور قابل توجهی دقیق تر و دقیق تر از تابش حرارتی اطراف خود را نسبت به دماسنج داخل خلاء نشان داد. این بدان معنی است که مولکول ها می توانند به عنوان دماسنج میکروسکوپی استفاده شوند.

لایبفرید اضافه کرد که یک دماسنج کوانتومی می تواند برای ساعت های اتمی مفید باشد که می تواند توسط نوسانات جزئی در تابش حرارتی آسیب ببیند. یک دماسنج کوانتومی مبتنی بر مولکول حتی به دانشمندان این امکان را می دهد که فرکانس های خاصی از تابش حرارتی را اندازه گیری کنند.

کنترل مولکولی دقیق همچنین باغ وحش تقریباً غیرقابل تصوری از گونه های مولکولی را برای فناوری های کوانتومی جدید باز می کند. فیزیکدانانی که روی محاسبات کوانتومی یا حسگرها کار می کنند، عموماً به چند نوع اتم باردار (یون) مانند کلسیم و باریم که در بخش کوچکی از جدول تناوبی هستند، محدود شده اند. ابزار مورد استفاده در این آزمایش مختص هیچ گونه ای نیست، به این معنی که می توان آنها را برای مولکول های دیگر تطبیق داد. در نهایت دانشمندان تصور می کنند که می توانند کنترل مولکولی دقیقی بر واکنش های شیمیایی داشته باشند که به طور بالقوه راه های جدیدی را برای مطالعات شیمیایی باز می کند. اما تیم هشدار داد که هنوز با واقعیت فاصله زیادی دارد.

مارگولیس افزود: «این فقط یک بار نیست، بلکه نمایشی از پروتکلی است که می‌تواند برای بسیاری از مولکول‌های دیگر استفاده شود». “وقتی به جدول تناوبی فکر می کنید، تعداد عناصر محدودی دارد. مولکول ها متنوع تر هستند. بنابراین، اگرچه کنترل آنها سخت است، اما مجموعه عظیمی از مولکول ها وجود دارد. اگر کنترل کاملی داشتید، می توانستید بر اساس فناوری مورد علاقه خود، خواه سنجش کوانتومی، علم اطلاعات کوانتومی، یا جستجو برای علم جدید، نامزدی را انتخاب کنید.”

---

مقاله: باروخ مارگولیس و همکاران. کنترل حالت کوانتومی با وفاداری بالا یک یون مولکولی قطبی در یک محیط برودتی. نامه های بررسی فیزیکی منتشر شده آنلاین در 9 دسامبر 2025. DOI: 10.1103/7ypf-91jr