מולקולות פוליאטומיות בודדות נלכדו במערכים של פינצטה אופטית בפעם הראשונה. חוקרים בארה"ב הצליחו לשלוט במצבים קוונטיים בודדים של מולקולות שלושת האטומים והטכניקה יכלה למצוא יישומים במחשוב קוונטי וחיפושים אחר פיזיקה מעבר למודל הסטנדרטי.
קירור מולקולות לטמפרטורות הקרובות לאפס מוחלט הוא גבול מרגש בפיזיקה אולטרה-קרה מכיוון שהוא מספק צוהר לאופן שבו תהליכים כימיים מונעים על ידי מכניקת הקוונטים. במשך עשרות שנים, פיזיקאים מקררים אטומים לטמפרטורות אולטרה-קרות. עם זאת, מולקולות הרבה יותר מאתגרות לקירור מכיוון שהן יכולות להחזיק אנרגיה בדרגות רבות יותר של חופש (סיבוב ורטט) - וקירור מולקולה מצריך הסרת האנרגיה מכל אלה. הצלחה ניכרת הושגה עם מולקולות דו-אטומיות, אך מספר דרגות החופש גדל בתלילות עם כל אטום נוסף, כך שההתקדמות עם מולקולות גדולות יותר הייתה מוגבלת יותר.
עכשיו, ג'ון דויל, נתנאל וילאס ועמיתים מאוניברסיטת הרווארד קיררו מולקולות טריאטומיות בודדות למצבי הקרקע הקוונטיים שלהן. כל מולקולה מורכבת מאטום של סידן, חמצן ומימן.
גיאומטריה לינארית
"הדבר העיקרי שאנחנו אוהבים במולקולה הזו הוא שבמצב הקרקע, יש לה גיאומטריה ליניארית", מסביר Vilas, "אבל יש לה מצב נרגש נמוך עם גיאומטריה כפופה... וזה נותן לך סיבוב נוסף דרגת חופש."
בשנת 2022, צוות כולל וילאס ודויל הלייזר קירר ענן של מולקולות אלה ל-110 מיקרו-קולט במלכודת מגנטו-אופטית. עם זאת, אף אחד לא קירר בעבר מולקולות בודדות המכילות יותר משני אטומים למצבי הקרקע הקוונטיים שלהן.
בעבודה החדשה, Vilas ועמיתיו העמיסו את המולקולות שלהם ממלכודת מגנטו-אופטית למערך של שש מלכודות פינצטה אופטיות סמוכות. הם השתמשו בדופק לייזר כדי לקדם חלק מהמולקולות למצב נרגש: "מכיוון שהמולקולה הנרגשת הזו קיימת, יש חתך רוחב הרבה יותר גדול עבור המולקולות לקיים אינטראקציה", אומר וילאס, "אז יש אינטראקציה דיפול-דיפול בין הקרקע. מצב ומצב נרגש, שמובילים להתנגשויות לא אלסטיות והם הולכים לאיבוד מהמלכודת". בשיטה זו הפחיתו החוקרים את מספר המולקולות כמעט בכל מלכודות הפינצטה לאחת בלבד.
לפני שהם יכלו להמשיך בהדמיה של המולקולות, החוקרים היו צריכים להחליט באיזה אורך גל אור הם צריכים להשתמש עבור הפינצטה האופטית. הדרישה המרכזית היא שאסור שהפינצטה תגרום לעירור לא מכוון למצבים חשוכים. אלו הם מצבים קוונטיים של המולקולה שאינם נראים ללייזר הבדיקה. מבנה האנרגיה של המולקולה כל כך מורכב עד שרבים מהמצבים הגבוהים לא הוקצו לשום תנועה של המולקולה, אבל החוקרים מצאו באופן אמפירי שאור באורך גל של 784.5 ננומטר הוביל לאובדן מינימלי.
צבירת אוכלוסייה
לאחר מכן השתמשו החוקרים בלייזר של 609 ננומטר כדי להניע שידור מתצורה ליניארית של המולקולה שבה נמצאים שלושת האטומים בקו, למצב רטט שבו הקו מתכופף. המולקולות נותרו בשילוב של שלוש תת-רמות ספין כמעט מנוונות. על ידי שאיבת המולקולות לאחר מכן בלייזר של 623 ננומטר, הם עוררו את המולקולות למצב שדעך בחזרה לאחת מתת-הרמות המקוריות או לתת-רמה רביעית, נמוכה יותר באנרגיה שלא קלטה את הלייזר. עם עירור וריקבון חוזרים ונשנים, אפוא, הצטברה האוכלוסייה בתת הרמה התחתונה.
קירור לייזר של מולקולות פוליאטומיות מביא לאור הזרקורים כימיה קרה במיוחד
לבסוף, החוקרים הראו ששדה מגנטי קטן בתדר רדיו יכול להניע תנודות ראבי בין שתי רמות אנרגיה של המערכת. זה יכול להיות חשוב מאוד עבור מחקר עתידי במחשוב קוונטי: "לגיאומטריה אין כל השפעה על העבודה הנוכחית הזו... יש לנו שש מלכודות אלה וכל אחת מהן מתנהגת באופן עצמאי לחלוטין", אומר וילאס. "אבל אתה יכול לחשוב על כל אחד מהם כקיוביט מולקולרי עצמאי, אז המטרה שלנו תהיה להתחיל ליישם שערים על הקיוביטים האלה." זה יכול להיות אפילו אפשרי לקודד מידע במספר דרגות חופש אורתוגונליות, וליצור "קוודיטים" הנושאים יותר מידע מאשר קיוביטים.
אפשרויות אחרות כוללות חיפושים אחר פיזיקה חדשה. "בגלל המבנה המגוון של המולקולות הללו יש צימוד בין המבנה לסוגים שונים של פיזיקה חדשה - או חומר אפל או חלקיקים בעלי אנרגיה גבוהה מעבר למודל הסטנדרטי, ושליטה בהם ברמה שיש לנו כעת תהפוך את השיטות הספקטרוסקופיות לדרך. יותר רגיש", אומר וילאס.
"זה סוג של אבן דרך בתחום כי זה אומר שאנחנו יכולים לשלוט אפילו מולקולות בודדות שיש להן יותר משני אטומים", אומר לורנס צ'וק מאוניברסיטת פרינסטון בניו ג'רזי; "אם אתה מוסיף אטום שלישי, אתה מקבל מצב כיפוף, וזה מאוד שימושי ביישומים מסוימים. אז באותה עבודה, קבוצת דויל לא רק הראתה שהם יכולים ללכוד ולזהות טריאטומיים בודדים: הם גם הראו שהם יכולים לתמרן בצורה קוהרנטית את מצב הכיפוף בתוך הטריאטומיים האלה." הוא מסוקרן אם ניתן לתמרן מולקולות גדולות יותר, מה שפותח את המחקר של תכונות כמו כיראליות.
המחקר מתואר ב טבע.
- הפצת תוכן ויחסי ציבור מופעל על ידי SEO. קבל הגברה היום.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. העצים את עצמך. גישה כאן.
- PlatoAiStream. Web3 Intelligence. הידע מוגבר. גישה כאן.
- PlatoESG. פחמן, קלינטק, אנרגיה, סביבה, שמש, ניהול פסולת. גישה כאן.
- PlatoHealth. מודיעין ביוטכנולוגיה וניסויים קליניים. גישה כאן.
- מקור: https://physicsworld.com/a/individual-polyatomic-molecules-are-trapped-in-optical-tweezer-arrays/
