Ученые научились управлять формой кристалла из трех заряженных атомов с помощью лазера, что открывает путь к созданию квантовых симуляторов для изучения молекулярных процессов. Исследователи показали, что возбуждение центрального иона в цепочке до высокоэнергетического состояния заставляет весь кристалл перестраиваться из линейной конфигурации в зигзагообразную.
В реальных молекулах подобные изменения формы при электронном возбуждении лежат в основе многих химических реакций и биологических механизмов, включая зрение. Однако прямое наблюдение этих процессов невозможно из-за чрезвычайно малых временных и пространственных масштабов, а компьютерное моделирование ограничено вычислительной сложностью. Ионные кристаллы рассматриваются как перспективная платформа для квантового моделирования, поскольку они сочетают электронные состояния и коллективные колебания, аналогичные молекулярным.
В эксперименте ученые использовали лазер для перевода центрального иона в ридберговское состояние с высокой поляризуемостью. Это изменяло локальное электрическое поле вокруг него, что приводило к конформационному переходу всей системы. Спектроскопически этот эффект фиксировался по изменению вероятности возбуждения: по мере приближения к критическим параметрам ловушки резонанс расширялся и ослабевал, а в точке перехода практически исчезал.
Главным результатом работы стала возможность управления этим процессом. С помощью микроволнового поля ученые создавали одетое состояние, снижая поляризуемость возбужденного иона. Это позволяло сохранять резонанс даже вблизи критической точки, где для неодетого состояния он полностью пропадал. Таким образом, ученые продемонстрировали возможность настройки критических параметров конформационного перехода.
Полученные результаты создают основу для использования ионных кристаллов в качестве квантовых симуляторов. В перспективе такие системы позволят изучать неадиабатические процессы вблизи пересечений потенциальных энергетических поверхностей, а также влияние электронно-колебательной связи на перенос энергии в сложных молекулах.
Авторы отмечают возможность создания макроскопических суперпозиционных состояний, где кристалл одновременно существует в двух конфигурациях, что представляет интерес для фундаментальных исследований в области квантовой физики. Дальнейшее развитие подхода ограничено сложностью охлаждения большего числа ионов, однако первый шаг к созданию управляемого квантового симулятора молекулярных процессов сделан.
Читайте также: Магнитное поле Земли предложили использовать как природный детектор темной материи.