物理学家揭开巴克敏斯特富勒烯的量子结构

2022-02-26 / 作者:猫咪资讯 / 来源:网络整理 / 阅读:989 /
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来自实验室天体物理联合研究所(JILA)和IMRA美国公司的一组物理学家测量了巴克敏斯特富勒烯(绰号巴克球)中数百个单个量子能级,巴克敏斯特富勒烯是一种足球形状的60原子碳分子。Changala等人使用频率梳或“光的标尺”来观察巴克敏斯特富勒烯中的单个量子能量跃迁。图片来源:史蒂......

来自实验室天体物理联合研究所(JILA)和IMRA美国公司的一组物理学家测量了巴克敏斯特富勒烯(绰号巴克球)中数百个单个量子能级,巴克敏斯特富勒烯是一种足球形状的60原子碳分子。

Changala et al used frequency combs, or ‘rulers of light,’ to observe individual quantum energy transitions in buckminsterfullerene. Image credit: Steven Burrows / JILA.

Changala等人使用频率梳或“光的标尺”来观察巴克敏斯特富勒烯中的单个量子能量跃迁。图片来源:史蒂文·布伦斯/ JILA。

巴克敏斯特富勒烯(C60)极其复杂。由于其巨大的60个原子的大小,整个分子有惊人的多种振动方式& # 8212;当分子温暖时,从1026到1030个振动量子态。

“首次发现于1984年的巴克球已经引起了科学界的极大兴趣,”NIST/JILA研究员叶军博士说。

“但高分辨率光谱学可以揭示分子旋转和振动特性的细节,在普通室温下无法工作,因为信号太拥挤了。”

叶博士和合著者使用他们的频率梳光谱学和低温缓冲气体冷却系统的更新版本来观察冷的气态巴克敏斯特富勒烯的旋转和振动状态之间的孤立的、单独的能量转变。

低温(大约零下138摄氏度,也就是零下216华氏度)使研究人员能够将分子集中成最低能级的单一旋转振动量子态,并用高分辨率光谱对其进行探测。

他们说:“巴克敏斯特富勒烯是已知的最对称的分子,其形状类似足球,被称为修饰的二十面体。

“它小到可以用基本的量子力学原理完全理解。然而,它足够大,足以揭示巨大系统中出现的极端量子复杂性。”

"作为实际应用的一个例子,巴克球可以充当一个由60个原子组成的原始网络."

每个原子的核心都具有一种相同的性质,称为“核自旋”,这使得它能够与周围环境发生磁性相互作用。因此,在量子计算机中,每个自旋都可以作为一个磁控量子比特或“量子比特”。

“如果我们有一个由纯同位素碳-13制成的巴基球,每个原子的核自旋为1/2,每个巴基球可以充当一台60量子比特的量子计算机。当然,我们还没有这样的能力;我们首先需要在陷阱中捕获这些巴克球,”叶博士说。

作为新量子革命的一个关键部分,使用由原子或其他材料制成的量子比特的量子计算机有可能解决当今难以解决的重要问题。s机器。

“还有很多天体物理学的联系。有大量的巴基球信号来自遥远的碳星,因此新的数据将使科学家能够更好地理解宇宙,”叶博士说。

在测量了量子能级后,物理学家收集了巴克敏斯特富勒烯核自旋值的统计数据。

他们证实所有60个原子是无法区分的,或者实际上是相同的。

对巴克敏斯特富勒烯在单个量子态之间的跃迁能量的精确测量揭示了它的原子在另一个量子态上的强烈相互作用,从而提供了对其分子结构复杂性和原子间作用力的见解。

研究结果发表在《科学》杂志上。

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页(page的缩写)布莱恩·昌加拉等人,2019年。C60富勒烯的振动量子态分辨率。科学363(6422):49-54;doi: 10.1126/science.aav2616


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