پژوهشگران مؤسسه ملی استاندارد و فناوری ایالات متحده، National Institute of Standards and Technology (NIST)، موفق شدند گامی مهم در کنترل دقیق حالتهای کوانتومی مولکولها بردارند؛ حوزهای که به دلیل پیچیدگی ساختاری مولکولها همواره چالشبرانگیزتر از کنترل اتمهای منفرد بوده است. برخلاف اتمها که ساختار انرژی سادهتری دارند، مولکولها دارای درجات آزادی متعدد شامل چرخش و ارتعاشاند و همین امر موجب افزایش تعداد حالتهای کوانتومی ممکن و دشوارتر شدن آمادهسازی و خوانش آنها میشود.
در این پژوهش که در مجله Physical Review Letters منتشر شده است، یک یون مولکولی کلسیممونوهیدرید (CaH⁺) با بهرهگیری از روش طیفسنجی منطق کوانتومی کنترل شد. در این روش، یک یون کلسیم (Ca⁺) بهعنوان «یون کمکی» در کنار مولکول در یک تله یونی به دام افتاد. از آنجا که مولکول بهطور مستقیم برهمکنش نوری کارآمدی با لیزر ندارد، اطلاعات مربوط به حالت چرخشی آن از طریق کوپلینگ حرکتی مشترک به یون کلسیم منتقل میشود. پژوهشگران با سردسازی لیزری یون کمکی، حرکت مولکول را نیز کاهش داده و پایداری حالت کوانتومی آن را افزایش دادند.
با اعمال پالسهای لیزری، حالت چرخشی مولکول تغییر داده شد و این تغییر از طریق درخشش (فلورسانس) یون کمکی آشکار گردید. مشاهده دو درخشش متوالی نشاندهنده وقوع گذارهای کوانتومی در مولکول بود. نتایج نشان داد که مولکول میتواند حدود ۱۸ ثانیه در یک حالت چرخشی پایدار باقی بماند؛ زمانی قابلتوجه در مقیاس سامانههای کوانتومی که امکان هزاران بار اندازهگیری پیش از واپاشی حالت (پیش از تغییر حالت ناشی از تابش گرمایی محیط) را فراهم میکند.
یکی از نتایج مهم آزمایش، حساسیت بالای مولکول به تابش گرمایی پسزمینه بود؛ بهگونهای که مولکول تصویری دقیقتر از دمای واقعی محیط نسبت به دماسنج محفظه خلأ ارائه داد. این یافته نشان میدهد که مولکولها میتوانند بهعنوان دماسنجهای کوانتومی میکروسکوپی مورد استفاده قرار گیرند و حتی فرکانسهای خاصی از تابش گرمایی را اندازهگیری کنند؛ ویژگیای که برای بهبود دقت ساعتهای اتمی و سامانههای اندازهگیری پیشرفته اهمیت دارد.
در نهایت، پژوهشگران به وفاداری کنترلی حدود 8/99 درصد دست یافتند که بیانگر تسلط بسیار بالا بر آمادهسازی و دستکاری حالت مولکولی است.
این دستاورد نهتنها امکان استفاده گستردهتر از مولکولها در حسگرهای کوانتومی، پردازش اطلاعات کوانتومی و ساعتهای مولکولی را فراهم میکند، بلکه بستر آزمایش نظریههای بنیادین فیزیک و حتی چشمانداز کنترل هدفمند واکنشهای شیمیایی در سطح کوانتومی را نیز تقویت میسازد.
https://www.nist.gov/news-events/news/2025/12/nist-physicists-bring-unruly-molecules-quantum-party
تهیه کننده: فاطمه ارشدی مشکاتی، کارشناس مرکز اندازه شناسی، اوزان و مقیاسها