Μεμονωμένα πολυατομικά μόρια έχουν παγιδευτεί σε συστοιχίες οπτικών λαβίδων για πρώτη φορά. Ερευνητές στις ΗΠΑ μπόρεσαν να ελέγξουν μεμονωμένες κβαντικές καταστάσεις των μορίων τριών ατόμων και η τεχνική μπορούσε να βρει εφαρμογές στον κβαντικό υπολογισμό και τις αναζητήσεις για τη φυσική πέρα ​​από το Καθιερωμένο Μοντέλο.

Η ψύξη των μορίων σε θερμοκρασίες κοντά στο απόλυτο μηδέν είναι ένα συναρπαστικό σύνορο στην υπερψυχρή φυσική, επειδή παρέχει ένα παράθυρο στο πώς οι χημικές διεργασίες οδηγούνται από την κβαντική μηχανική. Για δεκαετίες, οι φυσικοί ψύχουν τα άτομα σε εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες. Ωστόσο, τα μόρια είναι πολύ πιο δύσκολο να ψύχονται επειδή μπορούν να συγκρατούν ενέργεια σε πολλούς περισσότερους βαθμούς ελευθερίας (περιστροφή και δόνηση) – και η ψύξη ενός μορίου απαιτεί την αφαίρεση της ενέργειας από όλα αυτά. Σημαντική επιτυχία έχει επιτευχθεί με τα διατομικά μόρια, αλλά ο αριθμός των βαθμών ελευθερίας αυξάνεται απότομα με κάθε επιπλέον άτομο, επομένως η πρόοδος με μεγαλύτερα μόρια ήταν πιο περιορισμένη.

Τώρα, Τζον Ντόιλ, Ναθαναήλ Βίλας και συνάδελφοι στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ έχουν ψύχει μεμονωμένα τριατομικά μόρια στις κβαντικές βασικές τους καταστάσεις. Κάθε μόριο περιλαμβάνει ένα άτομο ασβεστίου, οξυγόνου και υδρογόνου.

Γραμμική γεωμετρία

«Το κύριο πράγμα που μας αρέσει σε αυτό το μόριο είναι ότι, στη βασική κατάσταση, έχει μια γραμμική γεωμετρία», εξηγεί ο Βίλας, «αλλά έχει μια κατάσταση διεγερμένης χαμηλής στάθμης με μια λυγισμένη γεωμετρία… και αυτό σας δίνει μια επιπλέον περιστροφική βαθμός ελευθερίας."

Το 2022, μια ομάδα που περιλαμβάνει τους Vilas και Doyle Το λέιζερ ψύξε ένα σύννεφο αυτών των μορίων στα 110 μK σε μαγνητο-οπτική παγίδα. Κανείς, ωστόσο, δεν έχει κρυώσει στο παρελθόν μεμονωμένα μόρια που περιέχουν περισσότερα από δύο άτομα στην κβαντική βασική τους κατάσταση.

Στη νέα εργασία, ο Vilas και οι συνεργάτες τους φόρτωσαν τα μόριά τους από μια μαγνητο-οπτική παγίδα σε μια σειρά από έξι γειτονικές οπτικές παγίδες με τσιμπιδάκια. Χρησιμοποίησαν έναν παλμό λέιζερ για να προωθήσουν ορισμένα από τα μόρια σε διεγερμένη κατάσταση: «Επειδή αυτό το διεγερμένο μόριο υπάρχει, υπάρχει μια πολύ μεγαλύτερη διατομή για να αλληλεπιδράσουν τα μόρια», λέει ο Vilas, «Έτσι υπάρχει κάποια αλληλεπίδραση διπόλου-διπόλου μεταξύ του εδάφους. κατάσταση και διεγερμένη κατάσταση, που οδηγεί σε ανελαστικές συγκρούσεις και χάνονται από την παγίδα». Χρησιμοποιώντας αυτή τη μέθοδο, οι ερευνητές μείωσαν τον αριθμό των μορίων σε όλες σχεδόν τις παγίδες με τσιμπιδάκια σε μόνο ένα.

Προτού μπορέσουν να προχωρήσουν στην απεικόνιση των μορίων, οι ερευνητές έπρεπε να αποφασίσουν ποιο μήκος κύματος φωτός θα χρησιμοποιούσαν για το οπτικό τσιμπιδάκι. Η κεντρική απαίτηση είναι ότι το τσιμπιδάκι δεν πρέπει να προκαλεί ακούσια διέγερση σε σκοτεινές καταστάσεις. Αυτές είναι κβαντικές καταστάσεις του μορίου που είναι αόρατες στο λέιζερ ανιχνευτή. Η ενεργειακή δομή του μορίου είναι τόσο περίπλοκη που πολλές από τις υψηλές καταστάσεις δεν έχουν αποδοθεί σε καμία κίνηση του μορίου, αλλά οι ερευνητές ανακάλυψαν εμπειρικά ότι το φως σε μήκος κύματος 784.5 nm οδήγησε σε ελάχιστη απώλεια.

Συσσώρευση πληθυσμού

Στη συνέχεια, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν ένα λέιζερ 609 nm για να οδηγήσουν μια μετάδοση από μια γραμμική διαμόρφωση του μορίου στην οποία τα τρία άτομα βρίσκονται σε μια γραμμή, σε μια λειτουργία δόνησης στην οποία η γραμμή κάμπτεται. Τα μόρια αφέθηκαν σε έναν συνδυασμό τριών σχεδόν εκφυλισμένων υποεπιπέδων σπιν. Αντλώντας στη συνέχεια τα μόρια με ένα λέιζερ 623 nm, διέγειραν τα μόρια σε μια κατάσταση που είτε διασπάστηκε ξανά σε ένα από τα αρχικά υποεπίπεδα είτε σε ένα τέταρτο, χαμηλότερης ενέργειας υποεπίπεδο που δεν απορροφούσε το λέιζερ. Με επαναλαμβανόμενη διέγερση και αποσύνθεση, επομένως, ο πληθυσμός συσσωρεύτηκε στο κατώτερο υποεπίπεδο.

Τέλος, οι ερευνητές έδειξαν ότι ένα μικρό μαγνητικό πεδίο ραδιοσυχνότητας θα μπορούσε να προκαλέσει ταλαντώσεις Rabi μεταξύ δύο ενεργειακών επιπέδων του συστήματος. Αυτό θα μπορούσε να είναι εξαιρετικά σημαντικό για μελλοντική έρευνα στον κβαντικό υπολογισμό: «Η γεωμετρία δεν έχει καμία σχέση με αυτήν την τρέχουσα εργασία… Έχουμε αυτές τις έξι παγίδες και η καθεμία συμπεριφέρεται εντελώς ανεξάρτητα», λέει ο Vilas. «Αλλά μπορείτε να σκεφτείτε το καθένα ως ένα ανεξάρτητο μοριακό qubit, οπότε ο στόχος μας θα ήταν να αρχίσουμε να εφαρμόζουμε πύλες σε αυτά τα qubits». Θα μπορούσε ακόμη και να είναι δυνατή η κωδικοποίηση πληροφοριών σε πολλαπλούς ορθογώνιους βαθμούς ελευθερίας, δημιουργώντας «qudits» που φέρουν περισσότερες πληροφορίες από qubits.

Άλλες δυνατότητες περιλαμβάνουν αναζητήσεις για νέα φυσική. «Λόγω της ποικιλόμορφης δομής αυτών των μορίων, υπάρχει σύζευξη μεταξύ της δομής και των διαφορετικών τύπων νέας φυσικής – είτε σκοτεινής ύλης είτε σωματιδίων υψηλής ενέργειας πέρα ​​από το Καθιερωμένο μοντέλο, και ο έλεγχος τους στο επίπεδο που έχουμε τώρα θα κάνει τις φασματοσκοπικές μεθόδους πιο ευαίσθητος», λέει ο Βίλας.

«Είναι ένα ορόσημο στο πεδίο γιατί λέει ότι μπορούμε να ελέγξουμε ακόμη και μεμονωμένα μόρια που έχουν περισσότερα από δύο άτομα», λέει Lawrence Cheuk του Πανεπιστημίου Πρίνστον στο Νιου Τζέρσεϋ· «Αν προσθέσετε ένα τρίτο άτομο, θα έχετε μια λειτουργία κάμψης και αυτό είναι πολύ χρήσιμο σε ορισμένες εφαρμογές. Έτσι, στην ίδια εργασία, η ομάδα Doyle όχι μόνο έδειξε ότι μπορεί να παγιδεύσει και να ανιχνεύσει μεμονωμένα τριατομικά στοιχεία: έδειξαν επίσης ότι μπορούν να χειριστούν με συνεκτικό τρόπο τον τρόπο κάμψης μέσα σε αυτά τα τριατομικά. Ενδιαφέρεται για το αν μπορούν να χειριστούν ακόμη μεγαλύτερα μόρια, ανοίγοντας τη μελέτη χαρακτηριστικών όπως η χειραλικότητα.

Η έρευνα περιγράφεται στο Φύση.   

• SEO Powered Content & PR Distribution. Ενισχύστε σήμερα.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Ενδυναμώστε τον εαυτό σας. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Ενισχύθηκε η γνώση. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoESG. Ανθρακας, Cleantech, Ενέργεια, Περιβάλλον, Ηλιακός, Διαχείριση των αποβλήτων. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoHealth. Ευφυΐα βιοτεχνολογίας και κλινικών δοκιμών. Πρόσβαση εδώ.
• πηγή: https://physicsworld.com/a/individual-polyatomic-molecules-are-trapped-in-optical-tweezer-arrays/