Zum ersten Mal wurden einzelne mehratomige Moleküle in Anordnungen optischer Pinzetten gefangen. Forschern in den USA gelang es, einzelne Quantenzustände der dreiatomigen Moleküle zu kontrollieren, und die Technik könnte Anwendung im Quantencomputing und bei der Suche nach Physik jenseits des Standardmodells finden.

Das Abkühlen von Molekülen auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt ist ein spannendes Gebiet in der Ultrakältephysik, da es einen Einblick in die Art und Weise bietet, wie chemische Prozesse durch die Quantenmechanik gesteuert werden. Seit Jahrzehnten kühlen Physiker Atome auf ultrakalte Temperaturen ab. Die Kühlung von Molekülen ist jedoch viel schwieriger, da sie Energie in viel mehr Freiheitsgraden (Rotation und Vibration) halten können – und um ein Molekül zu kühlen, muss die Energie aus all diesen Freiheitsgraden entfernt werden. Mit zweiatomigen Molekülen wurden beträchtliche Erfolge erzielt, aber die Zahl der Freiheitsgrade nimmt mit jedem zusätzlichen Atom steil zu, sodass die Fortschritte bei größeren Molekülen begrenzter waren.

Jetzt, John Doyle, Nathaniel Vilas und Kollegen der Harvard University haben einzelne dreiatomige Moleküle auf ihren Quantengrundzustand abgekühlt. Jedes Molekül besteht aus einem Kalzium-, einem Sauerstoff- und einem Wasserstoffatom.

Lineare Geometrie

„Das Wichtigste, was uns an diesem Molekül gefällt, ist, dass es im Grundzustand eine lineare Geometrie hat“, erklärt Vilas, „aber es hat einen tief liegenden angeregten Zustand mit einer gebogenen Geometrie … und das gibt Ihnen eine zusätzliche Rotation.“ Freiheitsgrad."

Im Jahr 2022 ein Team mit Vilas und Doyle Ein Laser kühlte eine Wolke dieser Moleküle auf 110 μK ab in einer magnetooptischen Falle. Allerdings hat noch nie jemand einzelne Moleküle mit mehr als zwei Atomen auf ihren Quantengrundzustand abgekühlt.

In der neuen Arbeit luden Vilas und Kollegen ihre Moleküle aus einer magnetooptischen Falle in eine Anordnung von sechs benachbarten optischen Pinzettenfallen. Sie verwendeten einen Laserpuls, um einige der Moleküle in einen angeregten Zustand zu versetzen: „Da dieses angeregte Molekül vorhanden ist, gibt es einen viel größeren Querschnitt für die Wechselwirkung der Moleküle“, sagt Vilas. „Es gibt also eine gewisse Dipol-Dipol-Wechselwirkung zwischen dem Boden.“ Zustand und angeregter Zustand, das führt zu unelastischen Kollisionen und sie gehen aus der Falle verloren.“ Mit dieser Methode reduzierten die Forscher die Anzahl der Moleküle in fast allen Pinzettenfallen auf nur noch eins.

Bevor sie mit der Abbildung der Moleküle fortfahren konnten, mussten die Forscher entscheiden, welche Lichtwellenlänge sie für die optische Pinzette verwenden sollten. Die zentrale Anforderung besteht darin, dass die Pinzette keine unbeabsichtigte Anregung in dunkle Zustände hervorrufen darf. Dabei handelt es sich um Quantenzustände des Moleküls, die für den Sondenlaser unsichtbar sind. Die Energiestruktur des Moleküls ist so komplex, dass viele der hochliegenden Zustände keiner Bewegung des Moleküls zugeordnet werden konnten, die Forscher fanden jedoch empirisch heraus, dass Licht mit einer Wellenlänge von 784.5 nm zu minimalen Verlusten führte.

Bevölkerungsakkumulation

Anschließend verwendeten die Forscher einen 609-nm-Laser, um eine Übertragung von einer linearen Konfiguration des Moleküls, in der sich die drei Atome in einer Linie befinden, zu einem Schwingungsmodus zu steuern, in dem sich die Linie biegt. Die Moleküle verblieben in einer Kombination aus drei nahezu entarteten Spin-Unterebenen. Indem sie die Moleküle anschließend mit einem 623-nm-Laser pumpten, regten sie die Moleküle in einen Zustand an, der entweder in eines der ursprünglichen Unterniveaus oder in ein viertes, energieärmeres Unterniveau zurückfiel, das den Laser nicht absorbierte. Bei wiederholter Erregung und Zerfall kam es daher zu einer Anhäufung der Population in der unteren Unterebene.

Schließlich zeigten die Forscher, dass ein kleines hochfrequentes Magnetfeld Rabi-Oszillationen zwischen zwei Energieniveaus des Systems antreiben kann. Dies könnte für zukünftige Forschungen im Bereich Quantencomputing von enormer Bedeutung sein: „Die Geometrie hat keinen Einfluss auf diese aktuelle Arbeit … Wir haben diese sechs Fallen und jede verhält sich völlig unabhängig“, sagt Vilas. „Aber man kann sich jedes einzelne als unabhängiges molekulares Qubit vorstellen, daher wäre es unser Ziel, mit der Implementierung von Toren auf diesen Qubits zu beginnen.“ Es könnte sogar möglich sein, Informationen in mehreren orthogonalen Freiheitsgraden zu kodieren und so „Qudits“ zu erzeugen, die mehr Informationen enthalten als Qubits.

Weitere Möglichkeiten sind die Suche nach neuer Physik. „Aufgrund der vielfältigen Struktur dieser Moleküle gibt es eine Kopplung zwischen der Struktur und verschiedenen Arten neuer Physik – entweder dunkler Materie oder hochenergetischen Teilchen jenseits des Standardmodells. Wenn wir sie auf dem Niveau kontrollieren, das wir jetzt haben, werden sich die spektroskopischen Methoden durchsetzen.“ empfindlicher“, sagt Vilas.

„Es ist eine Art Meilenstein auf diesem Gebiet, denn es besagt, dass wir sogar einzelne Moleküle mit mehr als zwei Atomen kontrollieren können“, sagt er Lawrence Cheuk von der Princeton University in New Jersey; „Wenn man ein drittes Atom hinzufügt, erhält man einen Biegemodus, der in bestimmten Anwendungen sehr nützlich ist. In derselben Arbeit zeigte die Doyle-Gruppe also nicht nur, dass sie einzelne Triatome einfangen und erkennen können, sondern sie zeigte auch, dass sie den Biegemodus innerhalb dieser Triatome auf kohärente Weise manipulieren kann.“ Er interessiert sich für die Frage, ob noch größere Moleküle manipuliert werden können, was die Erforschung von Merkmalen wie der Chiralität ermöglicht.

Die Forschung ist beschrieben in Natur.   

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• Quelle: https://physicsworld.com/a/individual-polyatomic-molecules-are-trapped-in-optical-tweezer-arrays/