Artist ‘ s concept van dit onderzoek.Illustratie: Steven Holen/JILA
Wetenschappers hebben die gekenmerkt wordt de quantum gedrag van buckminsterfullerene moleculen, ook wel buckyballs, met de hoop op misschien wel een dag draaien ze in miniatuur quantum computers.
Buckyballs zijn de Nobelprijs-winnende moleculen die bestaan uit zestig koolstofatomen, gerangschikt in een gesloten, voetbal-vorm. Hun eigenaardige structuur schenkt hen met vreemde waarneembare quantum eigenschappen heeft gegeven, en ze gebruikt in zonnepanelen en zelfs de geneeskunde. Maar een team van wetenschappers van JILA, een instituut voor onderzoek uitgevoerd door het National Institute of Standards and Technology en de Universiteit van Colorado, heeft metingen in voorbereiding voor de exploitatie van buckyballs’ quantum eigenschappen in vreemde manieren.
Terug in de jaren 1960 en 1970, onderzoekers theorie het bestaan en de vorm van de 60-carbon buckyballs en eigenlijk ze zijn gemaakt in 1984. De meeste niet-wetenschappers hebben gehoord, omdat ze van hun wilde vorm, die doet denken aan de geodetische koepels, ontworpen door architect en futurist Buckminster Fuller. Natuurkundigen onderzoek buckyballs, want ze hebben unieke eigenschappen die voortvloeien uit hun icosahedrale symmetrie. Een buckyball heeft 60 assen waarlangs het kan worden gedraaid, maar zien er nog precies hetzelfde.
De Quantum mechanica aanbiedingen in de fysica van de kleinste dingen—de kleinste in omvang, op de kortste in tijd, en de laagste in de energie—en poneert dat op de kleinste schaal, fysieke eigenschappen worden op discrete waarden. Denk na over een atoom absorbeert een foton, waardoor een elektron om omhoog te springen in een hoger energie niveau. Voor dit onderzoek wordt, vervang dan het atoom met een buckyball, en het vervangen van de elektronen met eenheden van vibratie en rotatie. Dit team van fysici wilde karakteriseren buckyballs’ gedrag in deze lage-energie quantum-regime, en hoe hun trillingen en rotatie veranderd in kleine sprongen in reactie op bits van energie.
De onderzoekers voor het eerst een verwarmd massief van buckyballs om het creëren van een gas van moleculen, en toen stelde ze voor om een achtergrond koude argon gas gekoeld de buckyballs rond -139 graden Celsius, of-216 graden Fahrenheit, dus dat namen zij op de laagste energie toestand. De onderzoekers vervolgens schoot de buckyballs met een infrarood laser en gemeten hoe ze geabsorbeerd het licht te karakteriseren van de andere kwantumtoestanden. Meestal lagere-energie rotaties zijn moeilijker te onderscheiden dan de hogere vibrationele energie staten, maar de wetenschappers waren in staat om het meten van de buckyballs met voldoende resolutie om te bepalen zowel de vibratie-en rotatie-staten.
Dit is cool om een aantal redenen. “De experimenten die hier zo stellen [buckminsterfullerene] als de grootste molecule waarvan de individuele quantum staten hebben gekenmerkt, volgens het artikel gepubliceerd eerder deze maand in de Wetenschap. Normaal gesproken, het uitvoeren van een dergelijke meting zou worden onmogelijk complex, legde het papier van de auteurs, maar het werd gemakkelijker gemaakt door de buckyball de unieke structuur.
“Het is echt een goed opgevoede molecuul voor zijn grootte,” studie auteur Marissa Weichman vertelde Gizmodo.
Studie auteur P. Bryan Changala uitgelegd dat het fotograferen van de moleculen met de laser is een beetje als het plukken van een string. Andere complexe moleculen “flop rond, verdwijnen, en verval,” zei hij. Maar “met [buckyballs], wanneer u het plukken, het is als een klok.”
Afgezien van de combinatie van een heleboel coole wetenschap in een krant, het onderzoek uiteindelijk zou kunnen leiden tot interessante technologie, langs de lijn. Het experiment de resultaten bevestigd dat elk van de buckyball ‘ s koolstofatomen was niet te onderscheiden. Als elk atoom had een extra neutron op de kern, zouden ze verwerven een mogelijk controleerbaar quantum eigenschap genoemd nucleaire spin, hoofdzakelijk draaien de atomen in 60 identiek quantum bits of qubits. Dat zou kunnen maken buckyballs handig als kleine quantum simulatoren of processors.
En aangezien we weten dat deze moleculen in de ruimte rond de koolstof-rijke sterren, die kenmerkend is voor het molecuul hier op Aarde zou kunnen helpen wetenschappers begrijpen in de ruimte.
Het is mind-bending wetenschap, zeker, en we zijn nergens in de buurt van het zien van een buckyball-aangedreven quantum computer. Maar wetenschappers zijn alleen het begin tot het ontgrendelen van het ware potentieel van deze bijzondere moleculen—en de aard van de quantum mechanica zelf.
“Het zien van de quantum mechanische structuur van een molecuul van deze grote en symmetrisch nog nooit is gedaan met dit soort duidelijkheid,” zei Weichman. “Dit is een spannende grens.”
Deel Dit Verhaal