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物理学家揭开了Buckyballs的量子结构

时间：2022-02-20 18:25:03 来源：

吉拉研究人员使用了频率梳子，或“光明统治者”，观察群球中的近距离量子能量过渡。

JILA研究人员在粉碎中测量了数百个史态量子能级，是60个碳原子的球形笼。它是在量子力学史上的这种实验细节中曾经分析的最大分子。完全理解和控制该分子的量子细节可能导致新的科学领域和应用，例如包含在单个粉碎中的整个量子计算机。

BuckyBall正式称为Buckminsterfullerene，非常复杂。由于其巨大的60原子大小，总体分子具有高得惊人数量的方式当分子是温暖振动-至少100,000,000,000,000,000,000,000,000振动量子态。除了击败Buckyball的旋转和其他属性的许多不同能量状态之外。

如1月4日的科学问题所述，JILA团队使用更新版本的频率梳理光谱和低温缓冲气体冷却系统，以观察旋转和振动状态的孤立，近异己在寒冷的气体鼠李中的旋转和振动状态。这是第一次能够在这种形式中准备巴克巴斯，以分析量子水平的旋转和振动。

JILA由美国国家标准技术研究院（NIST）和科罗拉多大学博尔德分校联合运营。

Buckyballs首次发现于1984年，创造了很大的科学兴奋。但是高分辨率光谱，可以揭示分子旋转和振动性质的细节，在普通室温下不起作用，因为信号过于拥挤，NIST / JILA FELL Jun Ye说。低温（约-138摄氏度，即-216华氏度）使研究人员能够在最低能级下将分子集中成单个旋转振动量子状态并用高分辨率光谱探测它们。

Buckyball是已知最令人对称的分子，具有称为修饰的IcosaheDron的足球形状。通过基本的量子力学原理，它足以完全理解。然而，它足以揭示洞察力的极端复杂性，以巨大的系统出现。

作为实际应用的一个例子，BuckyBalls可以作为60个原子的原始网络。每个原子的核心具有称为“核旋转”的相同的属性，其使其能够与其环境磁性相互作用。因此，每个旋转可以充当量子计算机中的磁控量子位或“QUBit”。

“如果我们有一个由纯同位素碳碳-13制成的巴氏鼠，则每个原子都会有1/2的核旋转，并且每个BuckyBall可以作为60 Qubit量子计算机，”Ye说。“当然，我们还没有这样的能力;我们需要首先在陷阱中捕捉这些巴掌。“

新量子革命的关键部分，使用由原子或其他材料制成的Qubits的量子计算机可能会解决使用当今机器难以解决的重要问题。NIST在Quantum Science中有一个重大股权。

“也有很多天体物理连接，”叶继续。“有来自远程碳的丰富的粉碎信号，”新数据将使科学家能够更好地了解宇宙。

在他们测量量子能量水平之后，JILA研究人员收集了对Buckyballs核自旋值的统计数据。他们证实所有60个原子都无法区分，或几乎相同。克利斯巴球之间的精确测量逃离量子态之间的转变能量揭示其原子彼此强烈相互作用，为其分子结构的复杂性和原子之间的力提供了洞察力。

对于实验，烘箱将材料的固体样品转化为气体鼠李。这些热分子流入锚定到低温冷装置的电池（容器）中，使得分子通过与冷氩气原子的碰撞冷却。然后在精确频率下激光瞄准冷气分子，研究人员测量了多少光被吸收。在红外光谱编码细节中观察到的量子机械能级结构细节。

激光通过光学频率梳或“光尺”产生，并旨在围绕冷电池的光学腔，以增强吸收信号。梳子在跨越粉碎击球型​​振动的光学频率的光学频率下包含大约1000个“齿”。从单光纤激光器产生梳状光。

来自Imra America Inc.的研究员，Ann Arbor，Mich，谁是纸上的作者，帮助建立了梳子仪器。该工作得到了科学研究，戈登和贝蒂摩尔基金会的空军办公室，国防高级研究项目代理，NIST和国家科学基金会。

纸：P.B.樟马拉，M.L.Weichman，K.F.Lee，M.E.Fermann和J. Ye。C60富勒烯的Rovibrationalum状态分辨率。科学。2019年1月4日问题。DOI：10.1126 / science.Aav2616.


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