Физики раскрывают квантовую структуру «бакибола»

Команда физиков из Объединенного института лабораторной астрофизики (JILA) и IMRA America Inc. измерила сотни отдельных уровней квантовой энергии в бакминстерфуллерене (по прозвищу buckyball), молекуле углерода из 60 атомов в форме футбольного мяча.

Бакминстерфуллерен (С₆₀) чрезвычайно сложен. Из-за своего огромного размера в 60 атомов вся молекула имеет потрясающе большое количество способов вибрации — от 10²⁶ до 10³⁰ колебательных квантовых состояний, когда молекула теплая.

«Buckyballs, впервые обнаруженные в 1984 году, вызвали большое научное волнение», — сказал сотрудник NIST / JILA доктор Джун Е. «Но спектроскопия высокого разрешения, которая может выявить детали вращательных и колебательных свойств молекулы, не работала при обычных комнатных температурах, потому что сигналы были слишком перегружены».

Доктор Е. и его коллеги использовали обновленную версию своей частотной гребенчатой ​​спектроскопии и криогенной системы охлаждения буферного газа, чтобы наблюдать изолированные, отдельные энергетические переходы между вращательными и колебательными состояниями в холодном газообразном бакминстерфуллерене.

Низкие температуры (около минус 138 градусов по Цельсию) позволили исследователям сконцентрировать молекулы в единое вращательно-колебательное квантовое состояние на самом низком энергетическом уровне и исследовать их с помощью спектроскопии высокого разрешения.

«Бакминстерфуллерен — самая симметричная из известных молекул с формой, похожей на футбольный мяч, известной как модифицированный икосаэдр», — говорят исследователи.

«Он достаточно мал, чтобы его можно было полностью понять с помощью основных принципов квантовой механики. Тем не менее, он достаточно большой, чтобы раскрыть понимание чрезвычайной квантовой сложности, возникающей в огромных системах». «В качестве примера практического применения бакиболы могут выступать в качестве первичной сети из 60 атомов».

Ядро каждого атома обладает идентичным свойством, известным как «ядерное вращение», которое позволяет ему магнитно взаимодействовать с окружающей средой. Следовательно, каждое вращение может действовать как магнитоуправляемый квантовый бит или «кубит» в квантовом компьютере.

«Если бы у нас был «бакибол», сделанный из чистого изотопного углерода-13, каждый атом имел бы ядерный спин 1/2, и каждый «бакибол» мог бы служить квантовым компьютером с 60 кубитами. Конечно, у нас пока нет таких возможностей; нам нужно было сначала поймать эти бакиболы в ловушках», — сказал доктор Е.

Ключевая часть новой квантовой революции, квантовый компьютер, использующий кубиты из атомов или других материалов, потенциально может решить важные проблемы, которые очень трудно решить с помощью современных машин.

«Есть также много астрофизических связей. От удаленных углеродных звезд поступают многочисленные сигналы «бакибол», поэтому новые данные позволят ученым лучше понять Вселенную», — говорят ученые.

После того, как они измерили уровни квантовой энергии, физики собрали статистику ядерных значений спина бакминстерфуллерена. Они подтвердили, что все 60 атомов были неразличимы или практически идентичны.

Точные измерения энергий переходов бакминстерфуллерена между отдельными квантовыми состояниями показали, что его атомы сильно взаимодействуют друг с другом, обеспечивая понимание сложности его молекулярной структуры и сил между атомами. Результаты опубликованы в журнале Science.

P. Bryan Changala et al. 2019. Rovibrational quantum state resolution of the C60 fullerene. Science 363 (6422): 49-54; doi: 10.1126/science.aav2616