小镊子,小镊子,可变形的东西来了,可变形的东西来了

对大多数人来说,你可以在药柜或美容院找到镊子,它们可以用来去除内生的毛发或雕刻眉毛。

由John Doyle和Kang-Kuen Ni设计的那些具有更奇异的应用。

利用精确聚焦的激光作为“光镊”,这对搭档已经能够捕获和控制单个的超旧分子——量子计算机的最终基石——并且比以前更详细地研究分子间的碰撞。这项研究发表在9月13日的《科学》杂志上。

“我们有兴趣做两件事,”多伊尔说。“一是建立复杂的量子系统,这很有趣,因为事实证明,如果你能把某些类型的量子系统,他们可以一起解决问题,使用经典计算机无法解决,也许包括了解先进材料和设计新材料,甚至看着我们还没有想到的问题,因为我们没有工具。

“另一种方法是实际控制这些分子,这样我们就可以研究分子本身,深入了解它们的结构和分子之间的相互作用,”他继续说。“我们还可以用它们来寻找标准模型之外的新粒子,或许还能解释关键的宇宙学问题。”

Ni是莫里斯·卡恩的化学和化学生物学副教授,他解释说,这项工作是从一团分子开始的——在这个例子中是一氟化钙分子——被困在一个小房间里。研究小组用激光将这些分子冷却到绝对零度以上,然后用光镊捕捉它们。

“因为分子非常冷,它们的动能非常低,”倪说。“光镊是一种聚焦非常紧密的激光束,但分子把它看作一个阱,当它们进入光镊时,它们继续被冷却,失去能量,落到光镊阱的底部。”

使用五束光,倪、道尔和同事们能够在镊子中夹住五种不同的分子,并演示对它们的精确控制。

她说:“分子面临的挑战是,我们以前没有这样做的原因是,它们有很多自由度——它们有电子态和自旋态,它们有振动,它们有旋转,每个分子都有自己的特点。”“原则上,一个人可以选择一个特定用途的完美分子——你可以说我想用这个性质做一件事,用另一个性质做另一件事。但是分子,不管它们是什么,首先必须被控制。这项工作的新奇之处在于它能让人控制自己。”

在光学镊子中捕捉单个分子是潜在构建Doyle所说的“量子模拟器”的关键部分,这项工作也使研究人员能够密切观察一个很大程度上仍然神秘的过程:分子之间的碰撞。

道尔说:“简单的物理问题值得解答。”一个简单的物理问题是,当两个分子相互碰撞时会发生什么?它们会形成一个反应吗?它们会相互反弹吗?在这个超冷的量子区域,我们知道的并不多。

“有许多非常优秀的理论家正在努力研究量子力学是否能够预测我们将要看到的东西,”他继续说。“但是,当然,没有什么比新的实验更能激发新的理论了,现在我们有了一些非常好的实验数据。”

在随后的实验中,倪表示,研究小组使用光镊将分子“引导”在一起,并研究由此产生的碰撞。

在单独的实验中,她实验室的研究人员探索了超冷分子的反应。她说:“我们正在研究超高温下的这些反应,这是以前从未实现过的。”“我们看到了新的东西。”

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Ni也是2018年一项研究的作者,该研究建立了一个理论,即被捕获的分子如果足够靠近,可能会相互作用,从而使研究人员能够使用它们进行量子计算。

道尔表示:“康权论文的想法是,我们可以把这些单个分子放在一起,将它们配对,这相当于一个量子门,然后进行一些处理。”“这样耦合就可以用来进行量子处理。”

多伊尔说,目前的研究还因其合作性而值得关注。

他说:“我们谈了很多关于哈佛量子计划和超冷原子中心(CUA)的合作,底线是这种合作是由科学兴趣驱动的,包括我们CUA的同事之一、麻省理工学院的沃尔夫冈·凯特勒。”“我们都对分子有浓厚的科学兴趣,康权的实验室在化学,而我的实验室在物理,这并不是一个重大障碍。

“我们一起努力解决这些问题,真是太棒了。其中一个重要的原因是,当你有来自两个不同院系的两名教员时,他们不仅带来了他们个人的科学观点,还在一定程度上把他们团队的所有知识都带来了。”

这项研究得到了国家科学基金会的资助。

新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:https://news.harvard.edu/gazette/story/2019/10/harvard-scientists-use-optical-tweezers-to-capture-ultracold-molecules/

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