激光冷卻控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)新突破 為量子器件制備提供方向

　　美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所（NIST）的物理學(xué)家們采用和原子鐘實(shí)驗(yàn)中一樣的邏輯，找到了控制單個(gè)帶電分子，或者離子團(tuán)（molecular ions）的量子性質(zhì)的方法。

這項(xiàng)新技術(shù)達(dá)成了一個(gè)難以觸及的目標(biāo)：使分子在激光冷卻下的可控度達(dá)到了和原子相當(dāng)?shù)乃健?duì)原子的量子態(tài)控制曾使原子物理領(lǐng)域發(fā)生翻天覆地的變化，也為原子鐘一類的應(yīng)用打下基墊。但是，將激光冷卻技術(shù)（lasercooling）應(yīng)用到結(jié)構(gòu)更復(fù)雜的分子上是一件挑戰(zhàn)的任務(wù)。

NIST 發(fā)明的這項(xiàng)新技術(shù)仍用到了激光——但只用來(lái)輕觸分子，并不擾亂它的量子態(tài)，從而做到精確控制離子團(tuán)，實(shí)現(xiàn)放大信號(hào)、測(cè)量電子分布平均度、激發(fā)化學(xué)反應(yīng)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》雜志發(fā)表了這項(xiàng)研究。同組人員于1978年次演示了單原子離子的激光冷卻。

“我們研制出的方法可以應(yīng)用于多種分子，”NIST物理學(xué)家周清文（James Chinwen Chou）說(shuō)，“現(xiàn)有的任何在原子上可實(shí)行的操控，都可以應(yīng)用到分子上。”

周清文補(bǔ)充道：“這和人們次發(fā)現(xiàn)原子的控制方法一樣有意義。無(wú)論是在精確計(jì)量學(xué)還是信息處理領(lǐng)域，激光冷卻原子使其陷入勢(shì)井的方法，打開(kāi)了無(wú)數(shù)應(yīng)用的大門。實(shí)現(xiàn)同等的對(duì)分子的控制一直是我們的夢(mèng)想。”

和原子相比，分子由于具有不同電子能級(jí)、振動(dòng)頻率和角動(dòng)量而體現(xiàn)出更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。由多個(gè)原子成鍵而形成的分子可能和DNA鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)一樣長(zhǎng)，有時(shí)長(zhǎng)度可以超過(guò)一米。

這項(xiàng)研究在實(shí)驗(yàn)上的一大創(chuàng)舉，就是使用了間接探測(cè)的方法來(lái)測(cè)量離子團(tuán)的量子態(tài)，即把離子團(tuán)的信息傳遞到另一個(gè)原子離子上。這樣一來(lái)，就可以用已經(jīng)成熟的技術(shù)進(jìn)行測(cè)量，隨后倒推出分子離子的量子態(tài)。

這樣的實(shí)驗(yàn)構(gòu)架靈感源于 NIST 量子邏輯鐘，而這樣的實(shí)驗(yàn)方式的好處就是能夠在不破壞分子離子量子態(tài)的前提下完成探測(cè)。

在具體操作中，NIST研究人員動(dòng)用了現(xiàn)有的各種儀器資源，包括2004年的量子傳送實(shí)驗(yàn)中用到的負(fù)電子井。他們還從現(xiàn)進(jìn)行的量子邏輯鐘實(shí)驗(yàn)室借來(lái)了激光設(shè)備。

研究人員在含有兩個(gè)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(gè)鈣離子和一個(gè)氫原子組成的CaH+離子團(tuán)。

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

研究人員隨后用激光束冷卻其中一個(gè)單原子離子；整個(gè)離子團(tuán)也會(huì)由于中間的分子鍵的存在而冷卻至最低的能級(jí)狀態(tài)。在室溫下，其電子軌道能級(jí)是和振動(dòng)狀態(tài)是最低的，但仍保留了一定的角動(dòng)量。

在下一步，研究人員使用紅外激光脈沖，在不改變離子團(tuán)振動(dòng)能級(jí)的前提下，使分子躍遷到一個(gè)特定的轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)（總共有100多個(gè)）。這個(gè)躍遷會(huì)在共運(yùn)動(dòng)中加入一個(gè)光子的能量。

研究者們接著再次使用激光束，把共運(yùn)動(dòng)能量的變化轉(zhuǎn)換為原子離子的內(nèi)部能級(jí)變化。這樣的能級(jí)變化將使得原子離子散射光線（scattering），進(jìn)而指示出分子離子的狀態(tài)變化。

這樣，研究者通過(guò)控制發(fā)射激光角動(dòng)量，同時(shí)根據(jù)散射光線角動(dòng)量帶來(lái)的反饋信息，不斷調(diào)整離子團(tuán)的角動(dòng)量，直到達(dá)到預(yù)定的特定狀態(tài)。

這項(xiàng)新技術(shù)應(yīng)用范圍十分廣泛。雖然之前NIST旗下的實(shí)驗(yàn)天體物理聯(lián)合研究所（JILA）也曾使用激光操控帶電的分子云，但這項(xiàng)新技術(shù)可應(yīng)用的離子團(tuán)更為廣泛，可操作方式也更多。

在量子信息轉(zhuǎn)化和存儲(chǔ)方面，離子團(tuán)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(dǎo)體等硬件分布量子信息。

文章的senior auther*迪特里希·萊布弗里德（Dietrich Leibfried）表示：“使用同樣的設(shè)備，這種方法能廣泛地用來(lái)測(cè)量許多不同的分子。NIST的基本目標(biāo)之一就是發(fā)明能讓其他研究者也能使用的精確測(cè)量方法。”。

最后周清文表示，這項(xiàng)技術(shù)還可以用來(lái)解決更深層次的物理問(wèn)題，比如自然中的基本“常量”是否會(huì)隨時(shí)間變化。實(shí)際上CaH+離子團(tuán)就是回答這一疑問(wèn)的候選人之一。另外，測(cè)量電子的電偶極矩（一種表示電子分布均衡度的特質(zhì)）時(shí)，這種能夠精確地同步控制上百個(gè)離子的方法可以對(duì)于統(tǒng)計(jì)科學(xué)家來(lái)說(shuō)無(wú)疑是巨大的福音。

　編輯點(diǎn)評(píng)

利用激光和原子的相互作用減速原子運(yùn)動(dòng)以獲得超低溫原子的高新技術(shù)——激光冷卻技術(shù)（lasercooling），目前屬于最前沿的科學(xué)技術(shù)，被廣泛應(yīng)用在在半導(dǎo)體材料、液體等方面，超高的低溫院子冷卻技術(shù)解決了諸多技術(shù)難題。