Lần đầu tiên, các phân tử đa nguyên tử riêng lẻ đã bị mắc kẹt trong dãy nhíp quang học. Các nhà nghiên cứu ở Mỹ đã có thể kiểm soát các trạng thái lượng tử riêng lẻ của các phân tử ba nguyên tử và kỹ thuật này có thể tìm thấy các ứng dụng trong điện toán lượng tử và tìm kiếm vật lý ngoài Mô hình Chuẩn.

Làm lạnh các phân tử đến nhiệt độ gần độ không tuyệt đối là một biên giới thú vị trong vật lý cực lạnh vì nó cung cấp một góc nhìn mới về cách thức các quá trình hóa học được điều khiển bởi cơ học lượng tử. Trong nhiều thập kỷ, các nhà vật lý đã làm lạnh các nguyên tử đến nhiệt độ cực lạnh. Tuy nhiên, làm mát các phân tử khó khăn hơn nhiều vì chúng có thể giữ năng lượng ở nhiều bậc tự do hơn (quay và dao động) – và làm mát một phân tử đòi hỏi phải loại bỏ năng lượng khỏi tất cả những bậc này. Người ta đã đạt được thành công đáng kể với các phân tử hai nguyên tử, nhưng số bậc tự do tăng mạnh với mỗi nguyên tử bổ sung, do đó tiến bộ với các phân tử lớn hơn bị hạn chế hơn.

Bây giờ, John doyle, Nathaniel Vilas và các đồng nghiệp tại Đại học Harvard đã làm lạnh các phân tử triatomic riêng lẻ về trạng thái lượng tử cơ bản của chúng. Mỗi phân tử bao gồm một nguyên tử canxi, một nguyên tử oxy và một nguyên tử hydro.

hình học tuyến tính

Vilas giải thích: “Điều chính mà chúng tôi thích ở phân tử này là ở trạng thái cơ bản, nó có dạng hình học tuyến tính, nhưng nó có trạng thái kích thích ở mức độ thấp với hình học uốn cong…và điều đó mang lại cho bạn một chuyển động quay bổ sung.” mức độ tự do."

Vào năm 2022, một nhóm bao gồm Vilas và Doyle tia laser làm lạnh đám mây chứa các phân tử này xuống 110 μK trong bẫy quang từ. Tuy nhiên, trước đây chưa có ai từng làm lạnh từng phân tử riêng lẻ chứa nhiều hơn hai nguyên tử về trạng thái lượng tử cơ bản của chúng.

Trong nghiên cứu mới, Vilas và các đồng nghiệp đã nạp các phân tử của họ từ bẫy quang từ vào một dãy sáu bẫy nhíp quang học liền kề. Họ sử dụng xung laser để thúc đẩy một số phân tử lên trạng thái kích thích: “Bởi vì phân tử bị kích thích này nên có tiết diện lớn hơn nhiều để các phân tử tương tác,” Vilas nói. “Vì vậy, có một số tương tác lưỡng cực-lưỡng cực giữa mặt đất”. trạng thái kích thích và trạng thái kích thích, dẫn đến va chạm không đàn hồi và chúng bị lạc khỏi bẫy.” Sử dụng phương pháp này, các nhà nghiên cứu đã giảm số lượng phân tử trong hầu hết các bẫy nhíp xuống chỉ còn một.

Trước khi có thể tiến hành chụp ảnh các phân tử, các nhà nghiên cứu phải quyết định họ nên sử dụng bước sóng ánh sáng nào cho nhíp quang học. Yêu cầu trọng tâm là nhíp không được gây ra sự kích thích ngoài ý muốn dẫn đến trạng thái tối. Đây là những trạng thái lượng tử của phân tử mà tia laser thăm dò không thể nhìn thấy được. Cấu trúc năng lượng của phân tử phức tạp đến mức nhiều trạng thái cao chưa được ấn định cho bất kỳ chuyển động nào của phân tử, nhưng các nhà nghiên cứu nhận thấy bằng thực nghiệm rằng ánh sáng ở bước sóng 784.5 nm dẫn đến sự mất mát tối thiểu.

Tích lũy dân số

Sau đó, các nhà nghiên cứu sử dụng tia laser có bước sóng 609 nm để điều khiển quá trình truyền từ cấu hình tuyến tính của phân tử trong đó ba nguyên tử nằm trên một đường thẳng đến chế độ dao động trong đó đường đó uốn cong. Các phân tử được để lại trong sự kết hợp của ba cấp độ spin gần suy thoái. Sau đó, bằng cách bơm các phân tử bằng tia laser có bước sóng 623 nm, họ đã kích thích các phân tử đến trạng thái phân rã trở lại một trong các cấp độ phụ ban đầu hoặc đến cấp độ thứ tư, năng lượng thấp hơn không hấp thụ tia laser. Do đó, với sự kích thích và phân rã lặp đi lặp lại, quần thể sẽ tích lũy ở tầng dưới.

Cuối cùng, các nhà nghiên cứu đã chỉ ra rằng một từ trường tần số vô tuyến nhỏ có thể điều khiển các dao động Rabi giữa hai mức năng lượng của hệ. Điều này có thể cực kỳ quan trọng đối với nghiên cứu trong tương lai về điện toán lượng tử: “Hình học không liên quan gì đến công việc hiện tại…Chúng tôi có sáu bẫy này và mỗi bẫy hoạt động hoàn toàn độc lập,” Vilas nói. “Nhưng bạn có thể coi mỗi qubit như một qubit phân tử độc lập, vì vậy mục tiêu của chúng tôi là bắt đầu triển khai các cổng trên các qubit này.” Thậm chí có thể mã hóa thông tin theo nhiều bậc tự do trực giao, tạo ra các “qudits” mang nhiều thông tin hơn qubit.

Các khả năng khác bao gồm tìm kiếm vật lý mới. “Do cấu trúc đa dạng của các phân tử này nên có sự kết hợp giữa cấu trúc và các loại vật lý mới khác nhau – vật chất tối hoặc các hạt năng lượng cao ngoài Mô hình Chuẩn, và việc kiểm soát chúng ở cấp độ mà chúng ta hiện có sẽ khiến các phương pháp quang phổ trở nên hiệu quả hơn.” nhạy cảm hơn,” Vilas nói.

“Đó là một cột mốc quan trọng trong lĩnh vực này vì nó cho biết chúng ta có thể kiểm soát ngay cả những phân tử đơn lẻ có nhiều hơn hai nguyên tử,” nói. Lawrence Cheuk của Đại học Princeton ở New Jersey; “Nếu bạn thêm nguyên tử thứ ba, bạn sẽ có được chế độ uốn cong và điều này rất hữu ích trong một số ứng dụng nhất định. Vì vậy, trong cùng một nghiên cứu, nhóm Doyle không chỉ cho thấy họ có thể bẫy và phát hiện các chất ba nguyên tử đơn lẻ: họ còn cho thấy rằng họ có thể điều khiển một cách mạch lạc chế độ uốn cong bên trong các chất ba nguyên tử này.” Ông quan tâm đến việc liệu có thể điều khiển được những phân tử lớn hơn nữa hay không, từ đó mở ra nghiên cứu về các đặc điểm như tính chirality.

Nghiên cứu được mô tả trong Thiên nhiên.   

• Phân phối nội dung và PR được hỗ trợ bởi SEO. Được khuếch đại ngay hôm nay.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Trao quyền cho chính mình. Truy cập Tại đây.
• PlatoAiStream. Thông minh Web3. Kiến thức khuếch đại. Truy cập Tại đây.
• Trung tâmESG. Than đá, công nghệ sạch, Năng lượng, Môi trường Hệ mặt trời, Quản lý chất thải. Truy cập Tại đây.
• PlatoSức khỏe. Tình báo thử nghiệm lâm sàng và công nghệ sinh học. Truy cập Tại đây.
• nguồn: https://physicsworld.com/a/individual-polyatomic-molecules-are-trapped-in-optical-tweezer-arrays/