تم احتجاز جزيئات متعددة الذرات الفردية في صفائف من الملقط البصري لأول مرة. تمكن الباحثون في الولايات المتحدة من التحكم في الحالات الكمومية الفردية للجزيئات ثلاثية الذرات، ويمكن لهذه التقنية أن تجد تطبيقات في الحوسبة الكمومية والبحث عن الفيزياء خارج النموذج القياسي.
يعد تبريد الجزيئات إلى درجات حرارة قريبة من الصفر المطلق أحد المجالات المثيرة في الفيزياء فائقة البرودة، لأنه يوفر نافذة على كيفية إدارة العمليات الكيميائية بواسطة ميكانيكا الكم. لعقود من الزمن، كان الفيزيائيون يقومون بتبريد الذرات إلى درجات حرارة فائقة البرودة. ومع ذلك، فإن تبريد الجزيئات أكثر صعوبة لأنها تستطيع الاحتفاظ بالطاقة بدرجات أكثر من الحرية (الدوران والاهتزاز) - وتبريد الجزيء يتطلب إزالة الطاقة من كل هذه درجات. لقد تم تحقيق نجاح كبير مع الجزيئات ثنائية الذرة، لكن عدد درجات الحرية ينمو بشكل حاد مع كل ذرة إضافية، لذلك كان التقدم مع الجزيئات الأكبر حجمًا محدودًا.
الآن، جون دويل, ناثانيال فيلاس وقام وزملاؤه في جامعة هارفارد بتبريد جزيئات ثلاثية الذرات الفردية إلى حالتها الأرضية الكمومية. ويتكون كل جزيء من ذرة كالسيوم وأكسجين وذرة هيدروجين.
الهندسة الخطية
يوضح فيلاس: "الشيء الرئيسي الذي يعجبنا في هذا الجزيء هو أنه في الحالة الأرضية، يكون له هندسة خطية، لكنه يتمتع بحالة مثارة منخفضة مع هندسة منحنية... وهذا يمنحك دورانًا إضافيًا". درجة من الحرية."
في عام 2022، فريق يضم فيلاس ودويل قام الليزر بتبريد سحابة من هذه الجزيئات إلى 110 ميكرو كلفن في فخ مغناطيسي بصري. ومع ذلك، لم يسبق لأحد أن قام بتبريد الجزيئات الفردية التي تحتوي على أكثر من ذرتين إلى حالتها الأساسية الكمومية.
في العمل الجديد، قام فيلاس وزملاؤه بتحميل جزيئاتهم من مصيدة مغناطيسية بصرية إلى مجموعة من ستة مصائد ملاقط بصرية متجاورة. استخدموا نبضة ليزر لتعزيز بعض الجزيئات إلى حالة مثارة: "نظرًا لوجود هذا الجزيء المثار، يوجد مقطع عرضي أكبر بكثير لتتفاعل الجزيئات،" كما يقول فيلاس، "لذلك هناك بعض التفاعل ثنائي القطب ثنائي القطب بين الأرض الحالة والحالة المثارة، مما يؤدي إلى تصادمات غير مرنة ويضيعون من الفخ. باستخدام هذه الطريقة، قام الباحثون بتقليل عدد الجزيئات الموجودة في جميع مصائد الملقط تقريبًا إلى جزيء واحد فقط.
قبل أن يتمكنوا من متابعة تصوير الجزيئات، كان على الباحثين أن يقرروا الطول الموجي للضوء الذي يجب عليهم استخدامه في الملقط البصري. الشرط الأساسي هو أن الملقط يجب ألا يسبب إثارة غير مقصودة إلى حالات مظلمة. هذه هي الحالات الكمومية للجزيء غير المرئية لليزر المسبار. إن بنية الطاقة للجزيء معقدة للغاية لدرجة أن العديد من الحالات المرتفعة لم يتم تخصيصها لأي حركة للجزيء، لكن الباحثين وجدوا تجريبيًا أن الضوء عند الطول الموجي 784.5 نانومتر أدى إلى الحد الأدنى من الخسارة.
تراكم السكان
استخدم الباحثون بعد ذلك ليزرًا بطول 609 نانومتر لدفع الإرسال من التكوين الخطي للجزيء الذي تكون فيه الذرات الثلاث في خط واحد، إلى الوضع الاهتزازي الذي ينحني فيه الخط. تُركت الجزيئات في مزيج من ثلاثة مستويات فرعية شبه متحللة. ومن خلال ضخ الجزيئات لاحقًا بالليزر بطول 623 نانومتر، قاموا بإثارة الجزيئات إلى حالة إما تتحلل مرة أخرى إلى أحد المستويات الفرعية الأصلية أو إلى مستوى فرعي رابع منخفض الطاقة لم يمتص الليزر. ومع الإثارة والانحلال المتكرر، تراكم السكان في المستوى الفرعي الأدنى.
التبريد بالليزر للجزيئات متعددة الذرات يسلط الضوء على الكيمياء فائقة البرودة
أخيرًا، أظهر الباحثون أن المجال المغناطيسي الصغير للترددات الراديوية يمكن أن يدفع تذبذبات رابي بين مستويين من الطاقة في النظام. قد يكون هذا مهمًا جدًا للأبحاث المستقبلية في مجال الحوسبة الكمومية. يقول فيلاس: "ليس للهندسة أي تأثير على هذا العمل الحالي... لدينا هذه الأفخاخ الستة، وكل منها يتصرف بشكل مستقل تمامًا". "لكن يمكنك التفكير في كل منها على أنها كيوبت جزيئي مستقل، لذا فإن هدفنا هو البدء في تنفيذ بوابات على هذه البتات الكمومية." بل قد يكون من الممكن تشفير المعلومات بدرجات متعامدة متعددة من الحرية، مما يؤدي إلى إنشاء "qudits" التي تحمل معلومات أكثر من الكيوبتات.
وتشمل الاحتمالات الأخرى البحث عن فيزياء جديدة. "بسبب البنية المتنوعة لهذه الجزيئات، هناك اقتران بين البنية وأنواع مختلفة من الفيزياء الجديدة - إما المادة المظلمة أو الجسيمات عالية الطاقة خارج النموذج القياسي، والتحكم بها على المستوى الذي لدينا الآن سوف يجعل الطرق الطيفية بعيدة المنال." يقول فيلاس: "أكثر حساسية".
يقول: "إنه نوع من الإنجاز في هذا المجال لأنه يقول إننا نستطيع التحكم حتى في الجزيئات المفردة التي تحتوي على أكثر من ذرتين". لورانس تشيوك من جامعة برينستون في نيوجيرسي؛ "إذا أضفت ذرة ثالثة، فستحصل على وضع الانحناء، وهذا مفيد جدًا في بعض التطبيقات. لذا، في نفس العمل، لم تُظهر مجموعة دويل أنهم قادرون على احتجاز واكتشاف الثلاثيات المفردة فحسب، بل أظهروا أيضًا أنهم قادرون على التعامل بطريقة متماسكة مع وضع الانحناء داخل هذه الثلاثيات. وهو مهتم بمعرفة ما إذا كان من الممكن التلاعب بجزيئات أكبر حجمًا، مما يفتح الباب أمام دراسة سمات مثل اللاتماثلية.
تم وصف البحث في الطبيعة.
- محتوى مدعوم من تحسين محركات البحث وتوزيع العلاقات العامة. تضخيم اليوم.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. تمكين نفسك. الوصول هنا.
- أفلاطونايستريم. ذكاء Web3. تضخيم المعرفة. الوصول هنا.
- أفلاطون كربون، كلينتك ، الطاقة، بيئة، شمسي، إدارة المخلفات. الوصول هنا.
- أفلاطون هيلث. التكنولوجيا الحيوية وذكاء التجارب السريرية. الوصول هنا.
- المصدر https://physicsworld.com/a/individual-polyatomic-molecules-are-trapped-in-optical-tweezer-arrays/
