激光冷卻控制技術(shù)實現(xiàn)新突破 為量子器件制備提供方向

   美國國家標(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(zhì)的方法。
　這項新技術(shù)達(dá)成了一個難以觸及的目標(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?。對原子的量子態(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)雜的分子上是一件極具挑戰(zhàn)的任務(wù)。
  NIST 發(fā)明的這項新技術(shù)仍用到了激光——但只用來輕觸分子，并不擾亂它的量子態(tài)，從而做到精確控制離子團，實現(xiàn)放大信號、測量電子分布平均度、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)表了這項研究。同組人員于1978年第一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，“現(xiàn)有的任何在原子上可實行的操控，都可以應(yīng)用到分子上。”
　　
 周清文補充道：“這和人們第一次發(fā)現(xiàn)原子的控制方法一樣有意義。無論是在精確計量學(xué)還是信息處理領(lǐng)域，激光冷卻原子使其陷入勢井的方法，打開了無數(shù)應(yīng)用的大門。實現(xiàn)同等的對分子的控制一直是我們的夢想。”
　　
 和原子相比，分子由于具有不同電子能級、振動頻率和角動量而體現(xiàn)出更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。由多個原子成鍵而形成的分子可能和DNA鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)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(chuàng)舉，就是使用了間接探測的方法來測量離子團的量子態(tài)，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(jīng)成熟的技術(shù)進行測量，隨后倒推出分子離子的量子態(tài)。
  這樣的實驗構(gòu)架靈感源于 NIST 量子邏輯鐘，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(tài)的前提下完成探測。
 在具體操作中，NIST研究人員動用了現(xiàn)有的各種儀器資源，包括2004年的量子傳送實驗中用到的負(fù)電子井。他們還從現(xiàn)進行的量子邏輯鐘實驗室借來了激光設(shè)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(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動效果。
 研究人員隨后用激光束冷卻其中一個單原子離子；整個離子團也會由于中間的分子鍵的存在而冷卻至最低的能級狀態(tài)。在室溫下，其電子軌道能級是和振動狀態(tài)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沖，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(zhuǎn)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(zhuǎn)換為原子離子的內(nèi)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(tài)變化。
　這樣，研究者通過控制發(fā)射激光角動量，同時根據(jù)散射光線角動量帶來的反饋信息，不斷調(diào)整離子團的角動量，直到達(dá)到預(yù)定的特定狀態(tài)。
　這項新技術(shù)應(yīng)用范圍十分廣泛。雖然之前NIST旗下的實驗天體物理聯(lián)合研究所（JILA）也曾使用激光操控帶電的分子云，但這項新技術(shù)可應(yīng)用的離子團更為廣泛，可操作方式也更多。
　在量子信息轉(zhuǎn)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(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測量許多不同的分子。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量方法。”。
　*編者注：通常論文作者名單中的最后一位都是整個研究組的負(fù)責(zé)人，即所謂的老板，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
　最后周清文表示，這項技術(shù)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(zhì)）時，這種能夠精確地同步控制上百個離子的方法可以對于統(tǒng)計科學(xué)家來說無疑是巨大的福音。
　編輯點評
　利用激光和原子的相互作用減速原子運動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。