激光冷卻控制離子團實現新突破，或為量子器件製備提供方向

美國國家標準技術研究所（NIST）的物理學家們採用和原子鐘實驗中一樣的邏輯，找到了控制單個帶電分子，或者離子團（molecular ions）的量子性質的方法。

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

NIST發明的這項新技術仍用到了激光——但只用來輕觸分子，並不擾亂它的量子態，從而做到精確控制離子團，實現放大信號、測量電子分布平均度、激發化學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》雜誌發表了這項研究。同組人員於1978年第一次演示了單原子離子的激光冷卻。

「我們研製出的方法可以應用於多種分子，」NIST物理學家周清文（James Chinwen Chou）說，「現有的任何在原子上可實行的操控，都可以應用到分子上。」

周清文補充道：「這和人們第一次發現原子的控制方法一樣有意義。無論是在精確計量學還是信息處理領域，激光冷卻原子使其陷入勢井的方法，打開了無數應用的大門。實現同等的對分子的控制一直是我們的夢想。」

和原子相比，分子由於具有不同電子能級、振動頻率和角動量而體現出更複雜的結構。由多個原子成鍵而形成的分子可能和DNA鏈式結構一樣長，有時長度可以超過一米。

這項研究在實驗上的一大創舉，就是使用了間接探測的方法來測量離子團的量子態，即把離子團的信息傳遞到另一個原子離子上。這樣一來，就可以用已經成熟的技術進行測量，隨後倒推出分子離子的量子態。

這樣的實驗構架靈感源於NIST量子邏輯鍾，而這樣的實驗方式的最大好處就是能夠在不破壞分子離子量子態的前提下完成探測。

在具體操作中，NIST研究人員動用了現有的各種儀器資源，包括2004年的量子傳送實驗中用到的負電子井。他們還從現進行的量子邏輯鍾實驗室借來了激光設備。

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

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

研究人員隨後用激光束冷卻其中一個單原子離子；整個離子團也會由於中間的分子鍵的存在而冷卻至最低的能級狀態。在室溫下，其電子軌道能級是和振動狀態是最低的，但仍保留了一定的角動量。

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

研究者們接著再次使用激光束，把共運動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（scattering），進而指示出分子離子的狀態變化。

這樣，研究者通過控制發射激光角動量，同時根據散射光線角動量帶來的反饋信息，不斷調整離子團的角動量，直到達到預定的特定狀態。

這項新技術應用範圍十分廣泛。雖然之前NIST旗下的實驗天體物理聯合研究所（JILA）也曾使用激光操控帶電的分子雲，但這項新技術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體分布量子信息。

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測量許多不同的分子。NIST的基本目標之一就是發明能讓其他研究者也能使用的精確測量方法。」。

*編者註：通常論文作者名單中的最後一位都是整個研究組的負責人，即所謂的老闆，而且通常情況下是通訊作者，但此文的第一和通訊作者都是周清文，顧稱最末的作者為senior auther

最後周清文表示，這項技術還可以用來解決更深層次的物理問題，比如自然中的基本「常量」是否會隨時間變化。實際上CaH+離子團就是回答這一疑問的候選人之一。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）時，這種能夠精確地同步控制上百個離子的方法可以對於統計科學家來說無疑是巨大的福音。

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