Отдельные многоатомные молекулы впервые были пойманы в массивы оптических пинцетов. Исследователи в США смогли контролировать отдельные квантовые состояния трехатомных молекул, и этот метод может найти применение в квантовых вычислениях и поисках физики за пределами Стандартной модели.

Охлаждение молекул до температур, близких к абсолютному нулю, является захватывающим направлением в физике ультрахолода, поскольку оно открывает окно в то, как химические процессы управляются квантовой механикой. На протяжении десятилетий физики охлаждали атомы до ультрахолодных температур. Однако молекулы гораздо сложнее охладить, потому что они могут удерживать энергию при гораздо большем количестве степеней свободы (вращение и вибрация), а охлаждение молекулы требует удаления энергии из всех этих степеней. Значительный успех был достигнут с двухатомными молекулами, но число степеней свободы резко возрастает с каждым дополнительным атомом, поэтому прогресс с более крупными молекулами был более ограниченным.

Теперь, Джон Дойл, Натаниэль Вилас и его коллеги из Гарвардского университета охладили отдельные трехатомные молекулы до их основного квантового состояния. Каждая молекула содержит кальций, кислород и атом водорода.

Линейная геометрия

«Главное, что нам нравится в этой молекуле, это то, что в основном состоянии она имеет линейную геометрию», — объясняет Вилас, — «но у нее есть низколежащее возбужденное состояние с изогнутой геометрией… и это дает вам дополнительную вращательную геометрию». степень свободы."

В 2022 году команда, в которую входят Вилас и Дойл лазер охладил облако этих молекул до 110 мкК в магнитооптической ловушке. Однако никто никогда ранее не охлаждал отдельные молекулы, содержащие более двух атомов, до их основных квантовых состояний.

В новой работе Вилас и его коллеги загружали свои молекулы из магнитооптической ловушки в массив из шести соседних оптических ловушек-пинцетов. Они использовали лазерный импульс, чтобы перевести некоторые молекулы в возбужденное состояние: «Поскольку эта возбужденная молекула находится там, существует гораздо большее поперечное сечение для взаимодействия молекул», — говорит Вилас. состоянии и возбужденном состоянии, что приводит к неупругим столкновениям, и они теряются из ловушки». Используя этот метод, исследователи сократили количество молекул почти во всех ловушках-пинцетах до одной.

Прежде чем приступить к визуализации молекул, исследователям пришлось решить, какую длину волны света им следует использовать для оптического пинцета. Основное требование заключается в том, что пинцет не должен вызывать непреднамеренного перехода в темное состояние. Это квантовые состояния молекулы, невидимые для зондового лазера. Энергетическая структура молекулы настолько сложна, что многие из высоколежащих состояний не были связаны с каким-либо движением молекулы, но исследователи эмпирически установили, что свет с длиной волны 784.5 нм приводит к минимальным потерям.

Накопление населения

Затем исследователи использовали лазер с длиной волны 609 нм, чтобы передать передачу от линейной конфигурации молекулы, в которой три атома расположены в линию, к колебательному режиму, в котором линия изгибается. Молекулы остались в комбинации трех почти вырожденных спиновых подуровней. Последующая накачка молекул лазером с длиной волны 623 нм привела молекулы в состояние, которое либо распалось обратно на один из исходных подуровней, либо на четвертый подуровень с более низкой энергией, который не поглощал лазер. Поэтому при многократном возбуждении и распаде популяция накапливалась на нижнем подуровне.

Наконец, исследователи показали, что небольшое радиочастотное магнитное поле может вызывать колебания Раби между двумя энергетическими уровнями системы. Это может оказаться чрезвычайно важным для будущих исследований в области квантовых вычислений: «Геометрия не имеет никакого отношения к текущей работе… У нас есть эти шесть ловушек, и каждая из них ведет себя совершенно независимо», — говорит Вилас. «Но вы можете думать о каждом из них как о независимом молекулярном кубите, поэтому наша цель — начать внедрять вентили в этих кубитах». Возможно даже будет возможно кодировать информацию с несколькими ортогональными степенями свободы, создавая «кудиты», которые несут больше информации, чем кубиты.

Другие возможности включают поиск новой физики. «Из-за разнообразной структуры этих молекул существует связь между структурой и различными типами новой физики – либо темной материей, либо частицами высоких энергий за пределами Стандартной модели, и контроль над ними на том уровне, который мы имеем сейчас, сделает спектроскопические методы более эффективными. более чувствительны», — говорит Вилас.

«Это своего рода веха в этой области, поскольку там говорится, что мы можем контролировать даже отдельные молекулы, имеющие более двух атомов», — говорит Лоуренс Чеук Принстонского университета в Нью-Джерси; «Если вы добавите третий атом, вы получите режим изгиба, и это очень полезно в некоторых приложениях. Таким образом, в той же работе группа Дойла не только показала, что они могут улавливать и обнаруживать отдельные триатомные соединения: они также показали, что они могут последовательно манипулировать режимом изгиба внутри этих триатомных атомов». Он заинтригован тем, можно ли манипулировать еще более крупными молекулами, что открывает возможности для изучения таких особенностей, как хиральность.

Исследование описано в природа.   

• SEO-контент и PR-распределение. Получите усиление сегодня.
• PlatoData.Network Вертикальный генеративный ИИ. Расширьте возможности себя. Доступ здесь.
• ПлатонАйСтрим. Интеллект Web3. Расширение знаний. Доступ здесь.
• ПлатонЭСГ. Углерод, чистые технологии, Энергия, Окружающая среда, Солнечная, Управление отходами. Доступ здесь.
• ПлатонЗдоровье. Биотехнологии и клинические исследования. Доступ здесь.
• Источник: https://physicsworld.com/a/individual-polyatomic-molecules-are-trapped-in-optical-tweezer-arrays/