巴基球的量子结构

JILA研究人员测量了巴基球中的数百个单个量子能级，这是一个由60个碳原子组成的球形笼。它是量子力学史上这一实验细节水平分析过的最大分子。充分理解和控制这种分子的量子细节可以产生新的科学领域和应用，例如包含在单个巴基球中的整个量子计算机。

巴基球，正式名称为巴克敏斯特勒，非常复杂。由于其巨大的60原子大小，整个分子具有惊人的大量振动方式 - 当分子温暖时至少100,000,000,000,000,000,000,000,000个振动量子态。除了布基球的旋转和其他属性的许多不同的能量状态之外。

正如1月4日出版的“ 科学”杂志所述，JILA团队使用其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巴基球中旋转和振动状态之间的孤立的，单独的能量转换。这是第一次有人能够以这种形式准备巴基球来分析它在量子水平上的旋转和振动。

JILA由美国国家标准与技术研究院(NIST)和科罗拉多大学博尔德分校共同运营。

Buckyballs于1984年首次发现，创造了巨大的科学兴奋。但NIST / JILA研究员Jun Ye表示，高分辨率光谱可以揭示分子旋转和振动特性的细节，但在普通室温下不起作用，因为信号过于拥挤。低温(约-138摄氏度，即-216华氏度)使研究人员能够将分子集中在最低能级的单一旋转振动量子态，并用高分辨率光谱探测它们。

巴基球是已知最对称的分子，具有足球形状，称为修饰的二十面体。它足够小，可以用基本的量子力学原理完全理解。然而，它足以揭示大型系统中出现的极端量子复杂性的见解。

作为实际应用的一个例子，巴基球可以充当60个原子的原始网络。每个原子的核心具有相同的属性，称为“核自旋”，使其能够与其环境进行磁性相互作用。因此，每个自旋可以在量子计算机中充当磁控量子比特或“量子比特”。

“如果我们有一个由纯同位素碳-13制成的布基球，那么每个原子的核自旋将为1/2，而每个布基球都可以作为一个60比特的量子计算机，”叶说。“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巴基球。”

使用由原子或其他材料制成的量子比特的量子计算机是新量子革命的关键部分，它可以解决使用当今机器难以处理的重要问题。NIST在量子科学中占有重要地位。

“还有很多天体物理学的联系，”叶继续说。“有来自远程碳星的丰富的巴基球信号”，因此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后，JILA研究人员收集了布基球核旋转值的统计数据。他们证实所有60个原子都难以区分，或几乎完全相同。对各个量子态之间的巴基球的跃迁能量的精确测量揭示了其原子彼此强烈地相互作用，从而提供了对其分子结构的复杂性和原子之间的力的深入了解。

对于实验，烘箱将固体材料样品转化为气态巴基球。这些热分子流入固定在低温冷装置中的细胞(容器)中，使得分子通过与冷氩气原子的碰撞而冷却。然后，精确频率的激光瞄准冷气体分子，研究人员测量了吸收的光量。观察到的红外光谱结构编码了量子力学能级结构的细节。

激光由光频梳或“光尺”产生，并且瞄准围绕冷电池的光学腔以增强吸收信号。该梳子在光学频率上包含大约1000个“齿”，跨越整个巴基球振动带。梳状光由单光纤激光器产生。