JILA研究人员发现了七叶树的量子结构

JILA的研究人员在一个由60个碳原子组成的球形笼子里测量了数百个单独的量子能级。它是量子力学史上在这个实验细节层次上分析过的最大的分子。完全理解和控制这个分子的量子细节可能会带来新的科学领域和应用，比如一台装在单个七叶树中的整个量子计算机。

七叶树，正式名称为七叶树富勒烯，非常复杂。由于其巨大的60个原子大小，整个分子有惊人的高数量的方式振动至少1000000000000000000000000000振动量子态时，分子是温暖的。这是除了七叶树旋转和其他性质的许多不同的能量状态之外。

JILA小组使用他们的频率梳光谱和低温缓冲气体冷却系统的更新版本来观察冷、气态七球中旋转和振动状态之间的孤立的、个别的能量转换。这是第一次有人能够用这种形式来准备七叶球来分析它在量子层面上的旋转和振动。

JILA由国家标准与技术研究所（NIST）和科罗拉多大学博尔德分校联合运营。

巴基球最早发现于1984年，创造了巨大的科学兴奋。但是高分辨率光谱技术，可以揭示分子的旋转和振动特性的细节，在普通室温下不起作用，因为信号太拥挤，NIST/Jila研究员Jun Ye说。低温（约-138摄氏度，即-216华氏度）使研究人员能够将分子集中到最低能量水平的单旋转振动量子态中，并用高分辨率光谱探测它们。

七叶树是已知的最对称的分子，其足球形状被称为修饰二十面体。它足够小，可以用基本的量子力学原理完全理解。然而，它足够大，足以揭示对巨大系统中出现的极端量子复杂性的洞察。

作为实际应用的一个例子，Buckyball可以充当由60个原子组成的原始网络。每一个原子的核心都有一个相同的性质，叫做“核自旋”，这使得它能够与环境进行磁相互作用。因此，在量子计算机中，每个自旋都可以充当一个磁控制的量子位或“量子位”。

叶说：“如果我们有一个纯同位素碳-13制成的七叶球，每个原子的核自旋将是1/2，每个七叶球可以作为一个60量子计算机。”“当然，我们还没有这样的能力；我们需要首先在陷阱中捕获这些Buckyball。”

作为新量子革命的一个重要组成部分，使用原子或其他材料制成的量子比特的量子计算机可能潜在地解决当今机器难以解决的重要问题。NIST在量子科学中占有重要的地位。

“还有很多天体物理学的联系，”叶继续说。“有大量来自遥远碳星的七叶树信号，”因此新的数据将使科学家更好地了解宇宙。

在测量了量子能级之后，JILA的研究人员收集了巴基球核自旋值的统计数据。他们证实，所有60个原子都是不可区分的，或几乎相同的。对巴基球在单个量子态之间的跃迁能的精确测量表明，巴基球的原子相互作用很强，这为深入了解其分子结构的复杂性和原子间的作用力提供了依据。

在实验中，一个烤箱将一个固体材料样品转化为气态的球。这些热分子流入一个固定在低温冷设备上的细胞（容器），通过与冷氩气体原子的碰撞使分子冷却。然后，精确频率的激光瞄准了冷气体分子，研究人员测量了吸收了多少光。观察到的结构在红外光谱中编码了详细的量子力学能级结构。

激光由光学频率梳或“光尺”产生，瞄准冷电池周围的光腔，以增强吸收信号。梳子包含大约1000个“齿”，其光学频率跨越了巴基球振动的全波段。梳状光是由单光纤激光器产生的。

本文作者、密歇根州安阿伯市IMRA America Inc.的一位研究员帮助建造了梳子仪器。这项工作得到了空军科学研究办公室、戈登和贝蒂穆尔基金会、国防高级研究计划局、NIST和国家科学基金会的支持。