Singole molecole poliatomiche sono state intrappolate per la prima volta in una serie di pinzette ottiche. I ricercatori negli Stati Uniti sono stati in grado di controllare i singoli stati quantistici delle molecole a tre atomi e la tecnica potrebbe trovare applicazioni nell’informatica quantistica e nelle ricerche di fisica oltre il Modello standard.

Il raffreddamento delle molecole a temperature vicine allo zero assoluto è una frontiera entusiasmante nella fisica ultrafredda perché fornisce una finestra su come i processi chimici sono guidati dalla meccanica quantistica. Per decenni, i fisici hanno raffreddato gli atomi a temperature ultrafredde. Tuttavia, le molecole sono molto più difficili da raffreddare perché possono trattenere energia in molti più gradi di libertà (rotazione e vibrazione) – e il raffreddamento di una molecola richiede la rimozione dell’energia da tutti questi elementi. Sono stati ottenuti notevoli successi con le molecole biatomiche, ma il numero di gradi di libertà cresce rapidamente con ogni atomo aggiuntivo, quindi i progressi con le molecole più grandi sono stati più limitati.

Adesso, John doyle, Nathaniel Vilas e colleghi dell’Università di Harvard hanno raffreddato singole molecole triatomiche riportandole al loro stato fondamentale quantistico. Ogni molecola comprende un atomo di calcio, un ossigeno e un idrogeno.

Geometria lineare

"La cosa principale che ci piace di questa molecola è che, allo stato fondamentale, ha una geometria lineare", spiega Vilas, "ma ha uno stato eccitato basso con una geometria piegata... e questo ti dà un ulteriore impulso rotazionale". grado di libertà."

Nel 2022, una squadra che include Vilas e Doyle il laser ha raffreddato una nuvola di queste molecole a 110 μK in una trappola magneto-ottica. Nessuno, tuttavia, ha mai raffreddato in precedenza singole molecole contenenti più di due atomi ai loro stati fondamentali quantistici.

Nel nuovo lavoro, Vilas e colleghi hanno caricato le loro molecole da una trappola magneto-ottica in una serie di sei trappole ottiche a pinzetta adiacenti. Hanno usato un impulso laser per promuovere alcune molecole a uno stato eccitato: "Poiché questa molecola eccitata è lì, c'è una sezione trasversale molto più grande affinché le molecole possano interagire", dice Vilas, "Quindi c'è una certa interazione dipolo-dipolo tra la terra stato eccitato e stato eccitato, che porta a collisioni anelastiche e si perdono nella trappola.” Usando questo metodo, i ricercatori hanno ridotto il numero di molecole in quasi tutte le trappole a pinzetta a una sola.

Prima di poter procedere con l’imaging delle molecole, i ricercatori hanno dovuto decidere quale lunghezza d’onda della luce avrebbero dovuto utilizzare per la pinzetta ottica. Il requisito fondamentale è che la pinzetta non deve provocare un'eccitazione involontaria negli stati oscuri. Questi sono stati quantistici della molecola invisibili alla sonda laser. La struttura energetica della molecola è così complessa che molti degli stati più alti non sono stati assegnati ad alcun movimento della molecola, ma i ricercatori hanno scoperto empiricamente che la luce ad una lunghezza d'onda di 784.5 nm porta ad una perdita minima.

Accumulazione della popolazione

I ricercatori hanno quindi utilizzato un laser da 609 nm per guidare una trasmissione da una configurazione lineare della molecola in cui i tre atomi sono in linea, a una modalità vibrazionale in cui la linea si piega. Le molecole sono state lasciate in una combinazione di tre sottolivelli di spin quasi degenerati. Successivamente pompando le molecole con un laser da 623 nm, hanno eccitato le molecole in uno stato che è decaduto di nuovo in uno dei sottolivelli originali o in un quarto sottolivello di energia inferiore che non ha assorbito il laser. Con ripetute eccitazioni e decadimenti, quindi, la popolazione si accumulò nel sottolivello inferiore.

Infine, i ricercatori hanno dimostrato che un piccolo campo magnetico a radiofrequenza potrebbe guidare le oscillazioni di Rabi tra due livelli energetici del sistema. Ciò potrebbe essere estremamente importante per la ricerca futura nel campo dell'informatica quantistica: "La geometria non ha alcuna influenza su questo lavoro attuale... Abbiamo queste sei trappole e ognuna si comporta in modo completamente indipendente", afferma Vilas. “Ma si può pensare a ciascuno di essi come a un qubit molecolare indipendente, quindi il nostro obiettivo sarebbe iniziare a implementare porte su questi qubit”. Potrebbe anche essere possibile codificare le informazioni in più gradi di libertà ortogonali, creando “qudit” che trasportano più informazioni dei qubit.

Altre possibilità includono la ricerca di nuova fisica. “A causa della diversa struttura di queste molecole c’è un accoppiamento tra la struttura e diversi tipi di nuova fisica – sia la materia oscura che le particelle ad alta energia oltre il Modello Standard, e averli controllati al livello che abbiamo ora renderà i metodi spettroscopici più efficaci”. più sensibile”, dice Vilas.

"È una sorta di pietra miliare nel campo perché afferma che possiamo controllare anche singole molecole che hanno più di due atomi", afferma Lawrence Cheuk dell'Università di Princeton nel New Jersey; “Se aggiungi un terzo atomo, ottieni una modalità di piegatura, e questo è molto utile in alcune applicazioni. Quindi, nello stesso lavoro, il gruppo di Doyle non solo ha dimostrato di poter intrappolare e rilevare singoli corpi triatomici: ha anche dimostrato di poter manipolare in modo coerente la modalità di flessione all’interno di questi corpi triatomici”. È incuriosito dalla possibilità di manipolare molecole ancora più grandi, aprendo lo studio di caratteristiche come la chiralità.

La ricerca è descritta in Natura.   

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