โมเลกุลโพลีอะตอมมิกแต่ละตัวถูกขังอยู่ในอาร์เรย์ของแหนบแบบออปติคัลเป็นครั้งแรก นักวิจัยในสหรัฐอเมริกาสามารถควบคุมสถานะควอนตัมแต่ละสถานะของโมเลกุลสามอะตอมได้ และเทคนิคนี้สามารถค้นหาการประยุกต์ใช้ในการคำนวณควอนตัมและค้นหาฟิสิกส์ที่อยู่นอกเหนือแบบจำลองมาตรฐานได้
การทำให้โมเลกุลเย็นลงจนถึงอุณหภูมิใกล้ศูนย์สัมบูรณ์ถือเป็นขอบเขตที่น่าตื่นเต้นในฟิสิกส์ที่มีความเย็นจัด เนื่องจากเป็นช่องทางที่แสดงให้เห็นว่ากลศาสตร์ควอนตัมขับเคลื่อนกระบวนการทางเคมีอย่างไร เป็นเวลาหลายทศวรรษแล้วที่นักฟิสิกส์ทำให้อะตอมเย็นลงจนมีอุณหภูมิที่เย็นจัด อย่างไรก็ตาม โมเลกุลมีความท้าทายมากขึ้นในการทำให้เย็นลง เนื่องจากสามารถกักเก็บพลังงานในระดับอิสระที่มากขึ้น (การหมุนและการสั่น) และการทำความเย็นโมเลกุลจะต้องเอาพลังงานออกจากสิ่งเหล่านี้ทั้งหมด ความสำเร็จอย่างมากเกิดขึ้นได้ด้วยโมเลกุลไดอะตอมมิก แต่จำนวนระดับความอิสระจะเพิ่มขึ้นอย่างสูงเมื่อมีอะตอมเพิ่มเติมทุกๆ อะตอม ดังนั้นความก้าวหน้ากับโมเลกุลที่ใหญ่กว่าจึงมีจำกัดมากขึ้น
ตอนนี้ จอห์น ดอยล์, นาธาเนียล วิลาส และเพื่อนร่วมงานที่มหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ดได้ทำให้โมเลกุลไตรอะตอมแต่ละโมเลกุลเย็นลงจนเหลือสถานะควอนตัมควอนตัม แต่ละโมเลกุลประกอบด้วยแคลเซียม ออกซิเจน และอะตอมไฮโดรเจน
เรขาคณิตเชิงเส้น
“สิ่งสำคัญที่เราชอบเกี่ยวกับโมเลกุลนี้คือ ในสถานะพื้น มันมีเรขาคณิตเชิงเส้น” Vilas อธิบาย “แต่มันมีสถานะตื่นเต้นต่ำและมีเรขาคณิตโค้งงอ…และนั่นทำให้คุณมีการหมุนเพิ่มเติม ระดับความเป็นอิสระ”
ในปี 2022 ทีมงานรวมทั้งวิลาสและดอยล์ เลเซอร์ทำให้เมฆของโมเลกุลเหล่านี้เย็นลงเหลือ 110 μK ในกับดักแมกนีโตออปติก อย่างไรก็ตาม ไม่มีใครเคยทำให้โมเลกุลแต่ละโมเลกุลที่มีอะตอมมากกว่าสองอะตอมเย็นลงในสถานะควอนตัมพื้นดินมาก่อน
ในงานชิ้นใหม่ Vilas และเพื่อนร่วมงานได้โหลดโมเลกุลของพวกเขาจากกับดักแบบแมกนีโตออปติคัลลงในอาร์เรย์ของกับดักแหนบแบบใช้แสงที่อยู่ติดกันหกอัน พวกเขาใช้พัลส์เลเซอร์เพื่อส่งเสริมโมเลกุลบางส่วนให้อยู่ในสถานะตื่นเต้น: "เพราะว่าโมเลกุลที่ตื่นเต้นนี้อยู่ที่นั่น จึงมีส่วนตัดขวางที่ใหญ่กว่ามากสำหรับโมเลกุลที่จะโต้ตอบ" Vilas กล่าว "ดังนั้นจึงมีปฏิสัมพันธ์ระหว่างไดโพล-ไดโพลระหว่างพื้นดิน สภาพและสภาพตื่นเต้นที่นำไปสู่การชนที่ไม่ยืดหยุ่นและพวกมันก็หายไปจากกับดัก” เมื่อใช้วิธีการนี้ นักวิจัยได้ลดจำนวนโมเลกุลในกับดักแหนบเกือบทั้งหมดให้เหลือเพียงโมเลกุลเดียว
ก่อนที่พวกเขาจะดำเนินการถ่ายภาพโมเลกุลต่อไปได้ นักวิจัยต้องตัดสินใจว่าควรใช้ความยาวคลื่นแสงเท่าใดสำหรับแหนบแบบใช้แสง ข้อกำหนดหลักคือแหนบจะต้องไม่ทำให้เกิดการกระตุ้นโดยไม่ได้ตั้งใจจนเข้าสู่สภาวะมืด สิ่งเหล่านี้คือสถานะควอนตัมของโมเลกุลที่เลเซอร์โพรบมองไม่เห็น โครงสร้างพลังงานของโมเลกุลมีความซับซ้อนมากจนรัฐที่อยู่สูงหลายแห่งไม่ได้รับมอบหมายให้ควบคุมการเคลื่อนที่ของโมเลกุล แต่นักวิจัยพบว่าแสงที่ความยาวคลื่น 784.5 นาโนเมตรทำให้เกิดการสูญเสียน้อยที่สุด
การสะสมของประชากร
จากนั้นนักวิจัยใช้เลเซอร์ 609 นาโนเมตรเพื่อขับเคลื่อนการส่งผ่านจากโครงสร้างเชิงเส้นของโมเลกุลซึ่งมีอะตอมทั้งสามอยู่ในแนวเดียวกัน ไปยังโหมดการสั่นสะเทือนที่เส้นโค้งงอ โมเลกุลถูกทิ้งไว้รวมกันของระดับย่อยของการหมุนที่เกือบจะเสื่อมลงสามระดับ ด้วยการปั๊มโมเลกุลด้วยเลเซอร์ 623 นาโนเมตรในเวลาต่อมา พวกเขาตื่นเต้นให้โมเลกุลอยู่ในสถานะที่สลายตัวกลับไปยังระดับย่อยดั้งเดิมหรือระดับย่อยพลังงานต่ำกว่าระดับที่สี่ซึ่งไม่ได้ดูดซับเลเซอร์ ด้วยการกระตุ้นและความเสื่อมโทรมซ้ำแล้วซ้ำอีก ดังนั้น ประชากรจึงสะสมในระดับย่อยที่ต่ำกว่า
การระบายความร้อนด้วยเลเซอร์ของโมเลกุล polyatomic นำเคมีที่เย็นจัดมาเป็นจุดสนใจ
ในที่สุด นักวิจัยได้แสดงให้เห็นว่าสนามแม่เหล็กความถี่วิทยุขนาดเล็กสามารถขับเคลื่อนการสั่นของ Rabi ระหว่างระดับพลังงานสองระดับของระบบได้ สิ่งนี้อาจมีความสำคัญอย่างมากสำหรับการวิจัยในอนาคตเกี่ยวกับคอมพิวเตอร์ควอนตัม: "เรขาคณิตไม่มีผลต่องานปัจจุบันนี้... เรามีกับดักหกประการนี้และแต่ละอันมีพฤติกรรมแยกจากกันโดยสิ้นเชิง" Vilas กล่าว “แต่คุณสามารถคิดได้ว่าแต่ละอันเป็นคิวบิตโมเลกุลที่เป็นอิสระ ดังนั้นเป้าหมายของเราคือการเริ่มใช้เกตบนคิวบิตเหล่านี้” อาจเป็นไปได้ที่จะเข้ารหัสข้อมูลในระดับอิสระหลายมุมฉาก โดยสร้าง "qudits" ที่นำข้อมูลมากกว่า qubit
ความเป็นไปได้อื่นๆ ได้แก่การค้นหาฟิสิกส์ใหม่ๆ “เนื่องจากโครงสร้างที่หลากหลายของโมเลกุลเหล่านี้ จึงมีการเชื่อมโยงกันระหว่างโครงสร้างกับฟิสิกส์ใหม่ประเภทต่างๆ ไม่ว่าจะเป็นสสารมืดหรืออนุภาคพลังงานสูงที่อยู่นอกเหนือแบบจำลองมาตรฐาน และการที่พวกมันควบคุมในระดับที่เรามีอยู่ตอนนี้จะทำให้วิธีสเปกโทรสโกปีเป็นไป ละเอียดอ่อนมากขึ้น” วิลาสกล่าว
“มันเป็นเหตุการณ์สำคัญในวงการนี้ เพราะมันบอกว่าเราสามารถควบคุมแม้แต่โมเลกุลเดี่ยวที่มีมากกว่าสองอะตอมได้” กล่าว ลอเรนซ์ ชิก ของมหาวิทยาลัยพรินซ์ตันในรัฐนิวเจอร์ซีย์; “ถ้าคุณเพิ่มอะตอมที่สาม คุณจะได้โหมดการดัดงอ และสิ่งนี้มีประโยชน์มากในการใช้งานบางอย่าง ดังนั้นในงานเดียวกัน กลุ่มดอยล์ไม่เพียงแต่แสดงให้เห็นว่าพวกเขาสามารถดักจับและตรวจจับไตรอะตอมเดี่ยวเท่านั้น แต่ยังแสดงให้เห็นว่าพวกเขาสามารถจัดการกับโหมดการดัดงอภายในไตรอะตอมมิกเหล่านี้ในลักษณะที่สอดคล้องกัน” เขาสนใจว่าโมเลกุลที่ใหญ่กว่านั้นยังสามารถจัดการได้หรือไม่ โดยเป็นการเปิดการศึกษาคุณลักษณะต่างๆ เช่น ไคริลิตี
งานวิจัยได้อธิบายไว้ใน ธรรมชาติ.
- เนื้อหาที่ขับเคลื่อนด้วย SEO และการเผยแพร่ประชาสัมพันธ์ รับการขยายวันนี้
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai เพิ่มพลังให้กับตัวเอง เข้าถึงได้ที่นี่.
- เพลโตไอสตรีม. Web3 อัจฉริยะ ขยายความรู้ เข้าถึงได้ที่นี่.
- เพลโตESG. คาร์บอน, คลีนเทค, พลังงาน, สิ่งแวดล้อม แสงอาทิตย์, การจัดการของเสีย. เข้าถึงได้ที่นี่.
- เพลโตสุขภาพ เทคโนโลยีชีวภาพและข่าวกรองการทดลองทางคลินิก เข้าถึงได้ที่นี่.
- ที่มา: https://physicsworld.com/a/individual-polyatomic-molecules-are-trapped-in-optical-tweezer-arrays/
