科學家最近在分子控制方面達到了一個新高度，成功操控了一種由一個氫原子和一個鈣原子組成的鈣單氫化物分子離子。這項突破由美國國家標準與技術研究所（NIST）的物理學家們實現，為量子技術、化學研究和探索新物理學開啟了新的可能性。為了控制一個粒子，研究人員需要將其精確地定位在某一特定狀態上。由於分子具有大量的旋轉和振動狀態，因此控制分子比控制原子要困難得多，該研究的主要作者達爾頓·查費（Dalton Chaffee）表示。
團隊使用了一種稱為量子邏輯光譜分析的技術來獲得這種控制，這種技術最初是為了提高由帶正電的鋁原子（離子）製成的時鐘的精度和準確性而開發的。為了與他們的分子離子進行通信，研究人員使用了一個鈣離子作為輔助工具。他們將鈣輔助離子和帶電的鈣單氫化物分子一起捕獲，由於它們帶有相同的電荷，因而自然會彼此排斥。根據新聞稿，這就像它們之間被一個加載的彈簧推開。
團隊強調，鈣單氫化物與激光的互動不佳，但單獨的鈣離子卻能有效互動。研究人員使用激光冷卻鈣離子，減慢其運動速度。隨著鈣的動量減慢，分子的運動也隨之放慢。研究生艾普莉爾·謝菲爾德（April Sheffield）指出，冷卻分子至關重要。除了激光冷卻外，冷環境使科學家能夠在分子狀態不變的情況下，持續十倍於室溫下的時間。
研究人員發現，該分子可以在其旋轉狀態中保持約18秒。然後，他們向分子發射激光以改變其旋轉。儘管無法直接觀察分子是否在旋轉，但鈣離子能夠感知到。當分子旋轉發生變化時，輔助鈣離子會發出微弱的光子閃光，研究人員將其視為明亮的點。隨後，研究人員指示分子將旋轉改回原狀，鈣離子再次閃爍。
這種鈣離子的雙重閃光信號代表著兩次量子躍遷，即分子在兩個不同狀態之間的跳躍。NIST的博士後研究員巴魯克·馬古利斯（Baruch Margulis）表示，看到這種量子控制的實際運作對於科學家來說是一種滿足感。在他們的實驗室中，可以透過相機看到離子處於某一量子狀態，這讓他覺得非常酷。
研究團隊還透露，該分子在周圍熱輻射的影響下，會迫使其狀態發生變化，並停止閃爍，這是他們研究的一個主要結果。這18秒的持續時間對於研究人員來說至關重要，因為它提供了數千次測量分子狀態的機會。馬古利斯形容這是一場“躲貓貓的遊戲”。一旦熱輻射驅動分子進入不同狀態，觀察離子的閃光也隨之消失，科學家幾乎能即時觀察到這一變化，時間僅約10毫秒。
僅僅觀察一次離子是不夠的；科學家們多次檢查鈣離子是明亮還是黑暗，證明他們對分子狀態的控制並非偶然。該團隊的成功率達到99.8%，這意味著如果他們進行1,000次操控嘗試，成功約998次。這種方法有望使科學家能夠使用各種分子進行特定的量子任務，探索超越標準模型的物理學，並潛在地控制化學反應。分子可以作為量子技術的多功能基礎，但它們比原子更難以控制。
