Voor het eerst zijn individuele polyatomaire moleculen gevangen in reeksen optische pincetten. Onderzoekers in de VS waren in staat om individuele kwantumtoestanden van de drie-atoommoleculen te controleren en de techniek kon toepassingen vinden in kwantumcomputers en zoektochten naar natuurkunde buiten het standaardmodel.

Het afkoelen van moleculen tot temperaturen rond het absolute nulpunt is een opwindende grens in de ultrakoude natuurkunde, omdat het inzicht biedt in de manier waarop chemische processen worden aangestuurd door de kwantummechanica. Al tientallen jaren koelen natuurkundigen atomen af ​​tot ultrakoude temperaturen. Het is echter veel lastiger om moleculen af ​​te koelen, omdat ze energie in veel meer vrijheidsgraden (rotatie en trilling) kunnen vasthouden – en voor het afkoelen van een molecuul is het nodig om de energie uit al deze moleculen te verwijderen. Er is aanzienlijk succes geboekt met diatomische moleculen, maar het aantal vrijheidsgraden groeit sterk met elk extra atoom, dus de vooruitgang met grotere moleculen is beperkter.

Nu, john doyl, Nathaniël Vilas en collega's van de Harvard University hebben individuele triatomische moleculen afgekoeld tot hun kwantumgrondtoestanden. Elk molecuul bestaat uit een calcium-, een zuurstof- en een waterstofatoom.

Lineaire geometrie

‘Het belangrijkste dat we leuk vinden aan dit molecuul is dat het in de grondtoestand een lineaire geometrie heeft’, legt Vilas uit, ‘maar het heeft een laaggelegen aangeslagen toestand met een gebogen geometrie… en dat geeft je een extra rotatie-geometrie. graad van vrijheid."

In 2022 een team met onder meer Vilas en Doyle laser koelde een wolk van deze moleculen af ​​tot 110 μK in een magneto-optische val. Niemand heeft echter ooit eerder individuele moleculen met meer dan twee atomen afgekoeld tot hun kwantumgrondtoestand.

In het nieuwe werk laadden Vilas en collega's hun moleculen vanuit een magneto-optische val in een reeks van zes aangrenzende optische pincetvallen. Ze gebruikten een laserpuls om sommige moleculen in een aangeslagen toestand te brengen: “Omdat dit aangeslagen molecuul daar is, is er een veel grotere dwarsdoorsnede waarin de moleculen kunnen interageren”, zegt Vilas. toestand en opgewonden toestand, wat leidt tot inelastische botsingen en ze verdwalen in de val.” Met behulp van deze methode hebben de onderzoekers het aantal moleculen in bijna alle pincetvallen teruggebracht tot slechts één.

Voordat ze verder konden gaan met het in beeld brengen van de moleculen, moesten de onderzoekers beslissen welke golflengte van licht ze moesten gebruiken voor het optische pincet. De centrale vereiste is dat het pincet geen onbedoelde excitatie in donkere toestanden mag veroorzaken. Dit zijn kwantumtoestanden van het molecuul die onzichtbaar zijn voor de sondelaser. De energiestructuur van het molecuul is zo complex dat veel van de hooggelegen toestanden niet zijn toegewezen aan enige beweging van het molecuul, maar de onderzoekers ontdekten empirisch dat licht met een golflengte van 784.5 nm tot minimaal verlies leidde.

Bevolkingsaccumulatie

De onderzoekers gebruikten vervolgens een laser van 609 nm om een ​​transmissie aan te sturen van een lineaire configuratie van het molecuul waarin de drie atomen zich in een lijn bevinden, naar een trillingsmodus waarin de lijn buigt. De moleculen bleven achter in een combinatie van drie bijna gedegenereerde spin-subniveaus. Door de moleculen vervolgens met een laser van 623 nm te pompen, werden de moleculen opgewonden tot een toestand die óf terugviel naar een van de oorspronkelijke subniveaus, óf naar een vierde subniveau met lagere energie dat de laser niet absorbeerde. Met herhaalde opwinding en verval verzamelde de bevolking zich daarom op het lagere subniveau.

Laserkoeling van polyatomische moleculen brengt ultrakoude chemie in de schijnwerpers

Ten slotte toonden de onderzoekers aan dat een klein radiofrequent magnetisch veld Rabi-oscillaties tussen twee energieniveaus van het systeem zou kunnen aandrijven. Dit zou enorm belangrijk kunnen zijn voor toekomstig onderzoek op het gebied van kwantumcomputers: “De geometrie heeft geen enkele invloed op dit huidige werk…We hebben deze zes vallen en elke val gedraagt ​​zich volledig onafhankelijk”, zegt Vilas. “Maar je kunt ze allemaal zien als een onafhankelijke moleculaire qubit, dus ons doel zou zijn om poorten op deze qubits te gaan implementeren.” Het zou zelfs mogelijk kunnen zijn om informatie te coderen in meerdere orthogonale vrijheidsgraden, waardoor ‘qudits’ ontstaan ​​die meer informatie bevatten dan qubits.

Andere mogelijkheden zijn onder meer het zoeken naar nieuwe natuurkunde. “Vanwege de diverse structuur van deze moleculen is er een koppeling tussen de structuur en verschillende soorten nieuwe natuurkunde – donkere materie of hoogenergetische deeltjes die verder gaan dan het standaardmodel. Als we ze controleren op het niveau dat we nu hebben, zullen de spectroscopische methoden veel beter worden. gevoeliger”, zegt Vilas.

“Het is een soort mijlpaal in dit veld, omdat het zegt dat we zelfs afzonderlijke moleculen met meer dan twee atomen kunnen controleren”, zegt Laurens Cheuk van de Princeton Universiteit in New Jersey; “Als je een derde atoom toevoegt, krijg je een buigmodus, en dat is in bepaalde toepassingen erg handig. Dus in hetzelfde werk liet de Doyle-groep niet alleen zien dat ze afzonderlijke triatomen kunnen vangen en detecteren: ze lieten ook zien dat ze op een coherente manier de buigmodus binnen deze triatomen kunnen manipuleren.’ Hij is geïntrigeerd over de vraag of nog grotere moleculen kunnen worden gemanipuleerd, waardoor de studie van functies zoals chiraliteit mogelijk wordt.

Het onderzoek is beschreven in NATUUR.   

• Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
• PlatoData.Network Verticale generatieve AI. Versterk jezelf. Toegang hier.
• PlatoAiStream. Web3-intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
• PlatoESG. carbon, CleanTech, Energie, Milieu, Zonne, Afvalbeheer. Toegang hier.
• Plato Gezondheid. Intelligentie op het gebied van biotech en klinische proeven. Toegang hier.
• Bron: https://physicsworld.com/a/individual-polyatomic-molecules-are-trapped-in-optical-tweezer-arrays/