Окремі багатоатомні молекули вперше були захоплені масивами оптичних пінцетів. Дослідники в США змогли контролювати окремі квантові стани триатомних молекул, і ця техніка може знайти застосування в квантових обчисленнях і пошуках фізики за межами Стандартної моделі.

Охолодження молекул до температур, близьких до абсолютного нуля, є захоплюючим рубежем у фізиці ультрахолоду, оскільки воно відкриває вікно в те, як хімічні процеси керуються квантовою механікою. Десятиліттями фізики охолоджували атоми до ультранизких температур. Однак молекули набагато складніше охолоджувати, оскільки вони можуть утримувати енергію з набагато більшою кількістю ступенів свободи (обертання та вібрація) – і охолодження молекули вимагає вилучення енергії з усього цього. Значного успіху було досягнуто з двоатомними молекулами, але кількість ступенів свободи стрімко зростає з кожним додатковим атомом, тому прогрес з більшими молекулами був більш обмеженим.

тепер, Джон Дойл, Натаніель Вілас і його колеги з Гарвардського університету охолодили окремі триатомні молекули до їх квантового основного стану. Кожна молекула складається з атомів кальцію, кисню та водню.

Лінійна геометрія

«Головне, що нам подобається в цій молекулі, це те, що в основному стані вона має лінійну геометрію, — пояснює Вілас, — але вона має низько розташований збуджений стан із зігнутою геометрією… і це дає вам додатковий обертальний ступінь свободи».

У 2022 році команда, до складу якої входять Вілас і Дойл лазер охолодив хмару цих молекул до 110 мкК в магнітооптичній пастці. Однак ніхто раніше не охолоджував окремі молекули, що містять більше двох атомів, до їх квантового основного стану.

У новій роботі Вілас і його колеги завантажили свої молекули з магнітооптичної пастки в масив із шести сусідніх оптичних пінцетних пасток. Вони використовували лазерний імпульс, щоб перевести деякі молекули в збуджений стан: «Оскільки ця збуджена молекула є, молекули мають набагато більший поперечний переріз для взаємодії, — каже Вілас. — Отже, існує деяка диполь-дипольна взаємодія між землею і збуджений стан, що призводить до непружних зіткнень, і вони губляться з пастки». Використовуючи цей метод, дослідники зменшили кількість молекул у майже всіх пастках пінцета до однієї.

Перш ніж вони змогли продовжити зображення молекул, дослідники повинні були вирішити, яку довжину хвилі світла вони повинні використовувати для оптичного пінцета. Головною вимогою є те, що пінцет не повинен викликати ненавмисне збудження в темні стани. Це квантові стани молекули, невидимі для зондуючого лазера. Енергетична структура молекули настільки складна, що багато високорозташованих станів не були пов’язані з будь-яким рухом молекули, але дослідники емпірично виявили, що світло з довжиною хвилі 784.5 нм призводить до мінімальних втрат.

Накопичення населення

Потім дослідники використали лазер з довжиною довжини 609 нм, щоб перейти від лінійної конфігурації молекули, в якій три атоми знаходяться в лінії, до коливального режиму, в якому лінія згинається. Молекули залишилися в комбінації трьох майже вироджених спинових підрівнів. Згодом накачуючи молекули лазером з довжиною хвилі 623 нм, вони збуджували молекули до стану, який або розпадався назад до одного з вихідних підрівнів, або до четвертого підрівня з нижчою енергією, який не поглинав лазер. Таким чином, при повторному збудженні і розпаді населення накопичувалося на нижньому підрівні.

Нарешті, дослідники показали, що невелике радіочастотне магнітне поле може керувати коливаннями Рабі між двома енергетичними рівнями системи. Це може бути надзвичайно важливим для майбутніх досліджень квантових обчислень: «Геометрія не має ніякого відношення до поточної роботи… У нас є ці шість пасток, і кожна з них поводиться абсолютно незалежно», — каже Вілас. «Але ви можете розглядати кожен з них як незалежний молекулярний кубіт, тому наша мета полягала б у тому, щоб почати впроваджувати ворота на цих кубітах». Можна навіть кодувати інформацію в кількох ортогональних ступенях свободи, створюючи «кудити», які несуть більше інформації, ніж кубіти.

Інші можливості включають пошуки нової фізики. «Через різноманітну структуру цих молекул існує зв’язок між структурою та різними типами нової фізики — або темною матерією, або високоенергетичними частинками за межами Стандартної моделі, і контроль над ними на нинішньому рівні зробить спектроскопічні методи шляхом до більш чутливі», — каже Вілас.

«Це свого роду віха в цій галузі, тому що ми можемо контролювати навіть окремі молекули, які містять більше двох атомів», — говорить Лоуренс Чек Прінстонського університету в Нью-Джерсі; «Якщо ви додаєте третій атом, ви отримуєте режим вигину, і це дуже корисно в деяких програмах. Тож у тій самій роботі група Дойла не лише показала, що вони можуть уловлювати та виявляти окремі триатомні елементи: вони також показали, що вони можуть узгоджено маніпулювати режимом вигину в цих триатомних елементах». Він заінтригований тим, чи можна маніпулювати ще більшими молекулами, відкриваючи дослідження таких особливостей, як хіральність.

Дослідження описано в природа.   

• Розповсюдження контенту та PR на основі SEO. Отримайте посилення сьогодні.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Додайте собі сили. Доступ тут.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Розширення знань. Доступ тут.
• ПлатонЕСГ. вуглець, CleanTech, Енергія, Навколишнє середовище, Сонячна, Поводження з відходами. Доступ тут.
• PlatoHealth. Розвідка про біотехнології та клінічні випробування. Доступ тут.
• джерело: https://physicsworld.com/a/individual-polyatomic-molecules-are-trapped-in-optical-tweezer-arrays/