개별 다원자 분자가 처음으로 광학 핀셋 배열에 갇혔습니다. 미국 연구자들은 3원자 분자의 개별 양자 상태를 제어할 수 있었고, 이 기술은 양자 컴퓨팅에서 응용 분야를 찾고 표준 모델을 넘어서는 물리학을 검색할 수 있었습니다.

분자를 절대 영도에 가까운 온도로 냉각시키는 것은 초저온 물리학의 흥미로운 개척지입니다. 왜냐하면 양자역학에 의해 화학 과정이 어떻게 진행되는지에 대한 창을 제공하기 때문입니다. 수십 년 동안 물리학자들은 원자를 초저온까지 냉각시켜 왔습니다. 그러나 분자는 훨씬 더 많은 자유도(회전 및 진동)로 에너지를 보유할 수 있기 때문에 냉각하기가 훨씬 더 어렵습니다. 분자를 냉각하려면 이 모든 것에서 에너지를 제거해야 합니다. 이원자 분자를 사용하여 상당한 성공을 거두었지만 원자가 추가될 때마다 자유도가 가파르게 증가하므로 더 큰 분자를 사용하는 경우 진행이 더 제한되었습니다.

지금, 존 도일, 나다니엘 빌라스 하버드 대학의 동료들은 개별 삼원자 분자를 양자 바닥 상태로 냉각시켰습니다. 각 분자는 칼슘, 산소 및 수소 원자로 구성됩니다.

선형 기하학

Vilas는 "이 분자에 대해 우리가 좋아하는 가장 중요한 점은 바닥 상태에서 선형 기하학을 가지고 있다는 것입니다. 그러나 구부러진 기하학을 가진 낮은 여기 상태를 가지며… 자유도."

2022년에는 빌라스와 도일이 포함된 팀이 레이저로 이러한 분자 구름을 110μK로 냉각했습니다. 자기 광학 트랩에서. 그러나 이전에는 두 개 이상의 원자를 포함하는 개별 분자를 양자 기저 상태로 냉각한 사람은 아무도 없었습니다.

새로운 연구에서 Vilas와 동료들은 자기광학 트랩의 분자를 인접한 6개의 광학 핀셋 트랩 배열에 로드했습니다. 그들은 레이저 펄스를 사용하여 일부 분자를 여기 상태로 승격시켰습니다. "이 여기된 분자가 있기 때문에 분자가 상호 작용할 수 있는 단면적이 훨씬 더 큽니다"라고 Vilas는 말합니다. "그래서 땅 사이에 쌍극자-쌍극자 상호 작용이 있습니다. 상태와 들뜬 상태는 비탄성 충돌을 일으키고 함정에서 길을 잃습니다.” 이 방법을 사용하여 연구원들은 거의 모든 핀셋 트랩의 분자 수를 단 하나로 줄였습니다.

분자 이미징을 진행하기 전에 연구원들은 광학 핀셋에 어떤 파장의 빛을 사용해야 하는지 결정해야 했습니다. 핵심 요구 사항은 핀셋이 의도하지 않은 여기를 어두운 상태로 유발해서는 안 된다는 것입니다. 이는 프로브 레이저에는 보이지 않는 분자의 양자 상태입니다. 분자의 에너지 구조는 너무 복잡해서 높은 상태의 많은 부분이 분자의 어떤 운동에도 할당되지 않았습니다. 그러나 연구진은 경험적으로 784.5 nm 파장의 빛이 손실을 최소화한다는 것을 발견했습니다.

인구 축적

그런 다음 연구원들은 609nm 레이저를 사용하여 세 개의 원자가 한 줄로 배열된 분자의 선형 구성에서 선이 구부러지는 진동 모드로 전송을 구동했습니다. 분자는 623개의 거의 축퇴된 스핀 하위 수준의 조합으로 남겨졌습니다. 이어서 XNUMX nm 레이저로 분자를 펌핑함으로써 그들은 원래 하위 준위 중 하나로 다시 붕괴되거나 레이저를 흡수하지 않는 네 번째 저에너지 하위 준위로 붕괴되는 상태로 분자를 여기시켰습니다. 따라서 자극과 쇠퇴가 반복되면서 인구는 하층부에 축적되었습니다.

다원자 분자의 레이저 냉각으로 극저온 화학이 주목

마지막으로 연구원들은 작은 무선 주파수 자기장이 시스템의 두 에너지 수준 사이에서 라비 진동을 유도할 수 있음을 보여주었습니다. 이는 양자 컴퓨팅의 미래 연구에 매우 중요할 수 있습니다. Vilas는 "기하학은 현재 작업과 아무런 관련이 없습니다. 우리는 이 6개의 함정을 갖고 있으며 각각은 완전히 독립적으로 행동하고 있습니다"라고 말했습니다. "그러나 각각을 독립적인 분자 큐비트로 생각할 수 있으므로 우리의 목표는 이러한 큐비트에 게이트를 구현하는 것입니다." 여러 직교 자유도로 정보를 인코딩하여 큐비트보다 더 많은 정보를 전달하는 "큐디트"를 만드는 것도 가능할 수 있습니다.

다른 가능성에는 새로운 물리학에 대한 검색이 포함됩니다. "이러한 분자의 다양한 구조로 인해 구조와 다양한 유형의 새로운 물리학(표준 모델을 넘어서는 암흑 물질 또는 고에너지 입자) 사이에 결합이 있으며, 이를 현재 수준에서 제어하면 분광학적 방법이 방식으로 바뀔 것입니다. 더 민감합니다.”라고 Vilas는 말합니다.

"두 개 이상의 원자를 가진 단일 분자도 제어할 수 있다는 점에서 이는 이 분야에서 일종의 이정표입니다."라고 말합니다. 로렌스 척 뉴저지 프린스턴 대학교; “세 번째 원자를 추가하면 굽힘 모드가 생성되며 이는 특정 응용 분야에서 매우 유용합니다. 따라서 같은 연구에서 Doyle 그룹은 단일 삼원자를 포착하고 감지할 수 있음을 보여줬을 뿐만 아니라 이러한 삼원자 내부의 굽힘 모드를 일관된 방식으로 조작할 수 있음도 보여주었습니다." 그는 더 큰 분자를 조작할 수 있는지 여부에 흥미를 갖고 있으며 키랄성과 같은 특징에 대한 연구를 시작합니다.

연구는 다음에 설명되어 있습니다. 자연.   

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