Контроль квантового состояния водорода с использованием сухого льда открывает новые возможности в вычислениях и астрофизике
Ученые из Университета Мэриленда успешно продемонстрировали контроль над ядерным спином молекулы водорода (H2) с помощью сухого льда. Эта простая возможность управлять квантовым состоянием материала может открыть множество приложений — от измерения температуры комет в открытом космосе до новых подходов к квантовым вычислениям на Земле.
Квантовые приложения являются следующим рубежом технологий, позволяя ученым использовать «странное поведение» материалов для выполнения сложных вычислений и измерений, которые ранее были невозможны. Однако для достижения этого ученые полагались на сверхнизкие температуры, близкие к абсолютному нулю. Такой подход не только дорогостоящ, но и ограничивает потенциальное количество приложений, которые могут быть реализованы за пределами лаборатории.
Физики из Университета Мэриленда теперь смогли добиться контроля квантового состояния, используя только сухой лед. Получаемый путем охлаждения углекислого газа при стандартном атмосферном давлении и относительно более высоких температурах — минус 75 градусов по Цельсию, сухой лед широко доступен и может быть получен недорого.
Ядерный спин атома также описывает его момент импульса. Молекулярный водород, или молекула H2, существует в двух состояниях. В одном из них ядерные спины двух его атомов водорода взаимно уничтожаются — это состояние известно как пара-H2. В то время как орто-H2 естественным образом стремится перейти в свое низкоэнергетическое состояние — пара-H2 при охлаждении, исследователи из Мэриленда обнаружили, что замораживание молекулы в сухом льду предотвращает эту конверсию для двух из трех подсостояний орто-H2.
«Главное открытие заключается в том, что в зависимости от того, в какой лед мы помещаем молекулу H2, ее квантовая динамика полностью зависит от окружающей среды», — объяснил Нейтан МакЛейн, аспирант-физик, участвовавший в работе. По словам МакЛейна, геометрия сухого льда накладывает на молекулы H2 набор правил, которые препятствуют их переходу в низкоэнергетическое состояние. Интересно, что добавление диоксида азота в кристаллическую решетку сухого льда ослабляет эти правила и позволяет всем трем молекулам орто-H2 преобразоваться в их низкоэнергетическое состояние.
До этого ученые прибегали к мощным магнитным полям и химическим катализаторам для управления ядерными спинами атомов. Но теперь это можно делать гораздо проще с помощью сухого льда. Это может помочь исследователям защищать квантовые состояния материалов, создавая более стабильные формы квантовой памяти. Маловероятно, что будущие квантовые компьютеры будут нуждаться только в молекулах водорода и сухом льде, но это исследование помогает установить фундаментальные правила для защиты квантовых состояний.
Среди других применений исследователи надеются, что измерения пропорций орто- и пара-воды, выделяющейся из комет, помогут оценить температуры, при которых эти кометы сформировались. Такие космические агентства, как NASA, используют определенные закономерности для определения того, как ядерные спины изменяются в кометах. Некоторые из этих расчетов опираются на непроверенные предположения. Исследователи надеются, что их работа либо опровергнет, либо подтвердит эти предположения в лабораторных условиях. Водородное топливо выделяет тепло при переходе из состояния орто в пара, и это тепло необходимо эффективно управлять для обеспечения безопасности. Данное исследование также поможет хранить водород более стабильно и эффективно, обогащая определенные ядерные спиновые состояния и защищая другие.
Исследование в журнале Physical Review Letters.