18 секунд спокойствия. Физики научились контролировать молекулы с точностью 99,8%.

Учёные из Национального института стандартов и технологий США (NIST) добились беспрецедентного уровня контроля над молекулой — ионом моногидрида кальция, состоящим из одного атома водорода и одного атома кальция. Это достижение открывает новые возможности для квантовых технологий, химических исследований и изучения физики за пределами Стандартной модели.

«Чтобы контролировать частицу, нужно зафиксировать её в одном конкретном состоянии. У молекулы множество состояний из-за вращения и вибрации — именно это делает молекулы намного сложнее в управлении, чем атомы», — пояснил Далтон Чаффи, ведущий автор исследования.

Для достижения контроля команда использовала метод квантовой логической спектроскопии, изначально разработанный для повышения точности атомных часов на основе ионов алюминия. Исследователи применили ион кальция в качестве «помощника»: оба иона удерживаются вместе в ловушке и отталкиваются друг от друга из-за одинакового заряда — словно их разделяет сжатая пружина.

Молекула моногидрида кальция плохо взаимодействует с лазером, а вот одиночный ион кальция — отлично. С помощью лазеров учёные охлаждают ион кальция, замедляя его движение, и молекула-«напарник» тоже замедляется. Охлаждение критически важно: в холодной среде молекулярное состояние сохраняется в десять раз дольше, чем при комнатной температуре.

Затем исследователи направляют лазер на молекулу, чтобы изменить её вращение. Напрямую увидеть, вращается ли молекула, невозможно, но ион кальция это «чувствует»: когда молекула меняет вращение, ион испускает крошечную вспышку фотонов, которую учёные видят как яркую точку. Команда даёт молекуле команду вернуться в прежнее состояние — и ион вспыхивает снова. Двойная вспышка сигнализирует о двух квантовых скачках между состояниями молекулы.

«Это квантовая механика. В нашей лаборатории мы можем видеть на камере, в каком квантовом состоянии находится ион. Это невероятно круто — наблюдать такое своими глазами», — рассказал постдок NIST Барух Маргулис.

Исследователи также выяснили, что молекула может оставаться в своём вращательном состоянии около 18 секунд, прежде чем тепловое излучение заставит её перейти в другое состояние. Эти 18 секунд дают учёным тысячи возможностей измерить состояние молекулы. «Это своего рода игра в прятки, — объяснил Маргулис. — Как только излучение переводит молекулу в другое состояние, вспышки от иона-наблюдателя прекращаются, и мы видим это почти мгновенно — в пределах 10 миллисекунд».

Одного наблюдения недостаточно, поэтому учёные многократно проверяли, светится ион или нет, подтверждая контроль над состоянием молекулы. Точность составила 99,8%: из тысячи попыток манипулировать молекулой успешными оказались около 998.

Этот метод позволит использовать широкий спектр молекул для квантовых задач, исследовать физику за пределами Стандартной модели и, возможно, управлять химическими реакциями. Молекулы могут стать универсальными строительными блоками для квантовых технологий — но сначала их нужно было научиться контролировать.