Individuella polyatomiska molekyler har för första gången fångats i arrayer av optiska pincett. Forskare i USA kunde kontrollera individuella kvanttillstånd för treatommolekylerna och tekniken kunde hitta tillämpningar inom kvantberäkningar och sökningar efter fysik bortom standardmodellen.

Att kyla molekyler till temperaturer nära absolut noll är en spännande gräns inom ultrakall fysik eftersom det ger ett fönster in i hur kemiska processer drivs av kvantmekanik. I decennier har fysiker kylt atomer till ultrakalla temperaturer. Molekyler är dock mycket mer utmanande att kyla eftersom de kan hålla energi i många fler frihetsgrader (rotation och vibration) – och att kyla en molekyl kräver att man tar bort energin från alla dessa. Betydande framgång har uppnåtts med diatomiska molekyler, men antalet frihetsgrader växer brant för varje ytterligare atom, så framstegen med större molekyler har varit mer begränsade.

Nu, John Doyle, Nathaniel Vilas och kollegor vid Harvard University har kylt individuella triatomära molekyler till sina kvantgrundtillstånd. Varje molekyl består av en kalcium-, en syre- och en väteatom.

Linjär geometri

"Det viktigaste vi gillar med den här molekylen är att den i grundtillståndet har en linjär geometri", förklarar Vilas, "men den har ett lågt liggande exciterat tillstånd med en böjd geometri ... och det ger dig en extra rotations grad av frihet."

2022, ett team inklusive Vilas och Doyle laser kylde ett moln av dessa molekyler till 110 μK i en magneto-optisk fälla. Ingen har dock någonsin tidigare kylt individuella molekyler som innehåller mer än två atomer till deras kvantgrundtillstånd.

I det nya arbetet laddade Vilas och kollegor sina molekyler från en magneto-optisk fälla till en uppsättning av sex intilliggande optiska pincettfällor. De använde en laserpuls för att främja några av molekylerna till ett exciterat tillstånd: "Eftersom den här exciterade molekylen finns där finns det ett mycket större tvärsnitt för molekylerna att interagera", säger Vilas, "Så det finns en viss dipol-dipol-interaktion mellan marken tillstånd och exciterat tillstånd, vilket leder till oelastiska kollisioner och de går vilse från fällan." Med denna metod minskade forskarna antalet molekyler i nästan alla pincettfällor till bara en.

Innan de kunde fortsätta med att avbilda molekylerna var forskarna tvungna att bestämma vilken ljusvåglängd de skulle använda för den optiska pincetten. Det centrala kravet är att pincetten inte får orsaka oavsiktlig excitation till mörka tillstånd. Dessa är kvanttillstånd hos molekylen som är osynliga för sondlasern. Molekylens energistruktur är så komplex att många av de högt liggande tillstånden inte har tilldelats någon rörelse hos molekylen, men forskarna fann empiriskt att ljus vid en våglängd på 784.5 nm ledde till minimal förlust.

Befolkningsackumulering

Forskarna använde sedan en 609 nm laser för att driva en transmission från en linjär konfiguration av molekylen där de tre atomerna är i en linje, till ett vibrationsläge där linjen böjer sig. Molekylerna lämnades i en kombination av tre nästan degenererade spin-subnivåer. Genom att sedan pumpa molekylerna med en 623 nm-laser exciterade de molekylerna till ett tillstånd som antingen sönderföll tillbaka till en av de ursprungliga undernivåerna eller till en fjärde undernivå med lägre energi som inte absorberade lasern. Med upprepad excitation och förfall ackumulerades därför befolkningen i den lägre undernivån.

Laserkylning av polyatomiska molekyler tar fram ultrakall kemi i rampljuset

Slutligen visade forskarna att ett litet radiofrekvent magnetfält kunde driva Rabi-svängningar mellan två energinivåer i systemet. Detta kan vara oerhört viktigt för framtida forskning inom kvantberäkning: "Geometrin har ingen betydelse för detta nuvarande arbete... Vi har dessa sex fällor och var och en beter sig helt oberoende", säger Vilas. "Men du kan tänka på var och en som en oberoende molekylär qubit, så vårt mål skulle vara att börja implementera grindar på dessa qubits." Det kan till och med vara möjligt att koda information i flera ortogonala frihetsgrader, vilket skapar "qudits" som bär mer information än qubits.

Andra möjligheter inkluderar sökningar efter ny fysik. "På grund av den olika strukturen hos dessa molekyler finns det en koppling mellan strukturen och olika typer av ny fysik - antingen mörk materia eller högenergipartiklar bortom standardmodellen, och att ha dem kontrollerade på den nivå vi har nu kommer att göra de spektroskopiska metoderna vägen känsligare, säger Vilas.

"Det är en slags milstolpe på området eftersom det säger att vi kan kontrollera även enstaka molekyler som har mer än två atomer", säger Lawrence Cheuk vid Princeton University i New Jersey; "Om du lägger till en tredje atom får du ett böjningsläge, och detta är mycket användbart i vissa tillämpningar. Så i samma arbete visade Doyle-gruppen inte bara att de kan fånga och detektera enskilda triatomer: de visade också att de kan manipulera på ett sammanhängande sätt böjningsläget inuti dessa triatomer." Han är nyfiken på om ännu större molekyler kan manipuleras, vilket öppnar upp studien av funktioner som kiralitet.

Forskningen beskrivs i Natur.   

• SEO-drivet innehåll och PR-distribution. Bli förstärkt idag.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrka dig själv. Tillgång här.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunskap förstärkt. Tillgång här.
• Platoesg. Kol, CleanTech, Energi, Miljö, Sol, Avfallshantering. Tillgång här.
• PlatoHealth. Biotech och kliniska prövningar Intelligence. Tillgång här.
• Källa: https://physicsworld.com/a/individual-polyatomic-molecules-are-trapped-in-optical-tweezer-arrays/