مولکول های چند اتمی منفرد در آرایه های موچین نوری به دام افتاده اند - دنیای فیزیک

مولکول های چند اتمی منفرد برای اولین بار در آرایه هایی از موچین های نوری به دام افتاده اند. محققان در ایالات متحده قادر به کنترل حالت‌های کوانتومی تکی مولکول‌های سه اتمی بودند و این تکنیک می‌تواند کاربردهایی در محاسبات کوانتومی و جستجوی فیزیک فراتر از مدل استاندارد بیابد.

خنک کردن مولکول‌ها تا دمای نزدیک به صفر مطلق، یک مرز هیجان‌انگیز در فیزیک فوق‌سرد است، زیرا پنجره‌ای به نحوه هدایت فرآیندهای شیمیایی توسط مکانیک کوانتومی ارائه می‌دهد. برای دهه‌ها، فیزیکدانان اتم‌ها را تا دمای بسیار سرد خنک می‌کنند. با این حال، سرد کردن مولکول‌ها بسیار چالش‌برانگیزتر است، زیرا می‌توانند انرژی را در درجات آزادی بیشتری (چرخش و ارتعاش) نگه دارند - و خنک کردن یک مولکول مستلزم حذف انرژی از همه اینها است. موفقیت قابل توجهی با مولکول های دو اتمی به دست آمده است، اما تعداد درجات آزادی با هر اتم اضافی به شدت افزایش می یابد، بنابراین پیشرفت با مولکول های بزرگتر محدودتر بوده است.

اکنون، جان دویل, ناتانیل ویلاس و همکارانش در دانشگاه هاروارد، مولکول های سه اتمی منفرد را تا حالت پایه کوانتومی خنک کرده اند. هر مولکول از یک اتم کلسیم، یک اکسیژن و یک اتم هیدروژن تشکیل شده است.

هندسه خطی

ویلاس توضیح می‌دهد: «مهمترین چیزی که ما در مورد این مولکول دوست داریم این است که در حالت پایه، هندسه خطی دارد، اما حالت برانگیختگی پایینی با هندسه خمیده دارد و این به شما یک چرخش اضافی می‌دهد. میزان آزادی."

در سال 2022، تیمی شامل ویلاس و دویل لیزر ابری از این مولکول ها را تا 110 میکروکیلووین خنک کرد در یک تله مغناطیسی نوری با این حال، هیچ‌کس قبلاً مولکول‌های منفرد حاوی بیش از دو اتم را به حالت پایه کوانتومی خنک نکرده است.

در کار جدید، ویلاس و همکارانش مولکول های خود را از یک تله مغناطیسی نوری در آرایه ای از شش تله موچین نوری مجاور بارگذاری کردند. آنها از یک پالس لیزر برای ارتقاء برخی از مولکول ها به حالت برانگیخته استفاده کردند: ویلاس می گوید: «از آنجایی که این مولکول برانگیخته، سطح مقطع بسیار بزرگتری برای برهمکنش مولکول ها وجود دارد، بنابراین برهمکنش دوقطبی-دوقطبی بین زمین وجود دارد. حالت و حالت برانگیخته، که منجر به برخوردهای غیر ارتجاعی می شود و از تله گم می شوند.» با استفاده از این روش، محققان تعداد مولکول‌ها را در تقریباً همه تله‌های موچین به تنها یک مولکول کاهش دادند.

قبل از اینکه بتوانند به تصویربرداری از مولکول ها ادامه دهند، محققان باید تصمیم می گرفتند که از چه طول موجی نور برای موچین نوری استفاده کنند. شرط اصلی این است که موچین نباید باعث تحریک ناخواسته به حالت های تاریک شود. این حالت‌های کوانتومی مولکول هستند که برای لیزر کاوشگر نامرئی هستند. ساختار انرژی این مولکول به قدری پیچیده است که بسیاری از حالت های بلند به هیچ حرکتی از مولکول اختصاص داده نشده اند، اما محققان به طور تجربی دریافتند که نور در طول موج 784.5 نانومتر منجر به حداقل تلفات می شود.

انباشت جمعیت

محققان سپس از یک لیزر 609 نانومتری برای هدایت یک انتقال از پیکربندی خطی مولکولی که در آن سه اتم در یک خط قرار دارند، به حالت ارتعاشی که در آن خط خم می‌شود، استفاده کردند. مولکول ها در ترکیبی از سه سطح فرعی اسپین تقریباً منحط باقی مانده اند. سپس با پمپاژ مولکول‌ها با یک لیزر 623 نانومتری، مولکول‌ها را به حالتی برانگیختند که یا به یکی از سطوح فرعی اصلی برمی‌گردد یا به سطح فرعی چهارم با انرژی پایین‌تر که لیزر را جذب نمی‌کند. بنابراین، با تحریک و پوسیدگی مکرر، جمعیت در زیرسطح پایین انباشته شد.

در نهایت، محققان نشان دادند که یک میدان مغناطیسی با فرکانس رادیویی کوچک می‌تواند نوسانات رابی را بین دو سطح انرژی سیستم هدایت کند. این می‌تواند برای تحقیقات آینده در محاسبات کوانتومی بسیار مهم باشد: ویلاس می‌گوید: «هندسه هیچ ارتباطی با این کار فعلی ندارد... ما این شش تله را داریم و هر کدام کاملاً مستقل عمل می‌کنند. اما شما می توانید هر یک را به عنوان یک کیوبیت مولکولی مستقل در نظر بگیرید، بنابراین هدف ما شروع به پیاده سازی گیت ها بر روی این کیوبیت ها خواهد بود. حتی می‌توان اطلاعات را در درجات آزادی متعامد چندگانه رمزگذاری کرد و «کودیت‌هایی» ایجاد کرد که اطلاعات بیشتری نسبت به کیوبیت‌ها دارند.

احتمالات دیگر عبارتند از جستجو برای فیزیک جدید. به دلیل ساختار متنوع این مولکول‌ها، جفت شدن بین ساختار و انواع مختلف فیزیک جدید وجود دارد - یا ماده تاریک یا ذرات پرانرژی فراتر از مدل استاندارد، و کنترل آنها در سطحی که اکنون داریم، روش‌های طیف‌سنجی را راهی می‌کند. ویلاس می گوید حساس تر است.

می‌گوید: «این یک نقطه عطف در این زمینه است، زیرا می‌گوید ما می‌توانیم حتی مولکول‌هایی را که بیش از دو اتم دارند، کنترل کنیم.» لارنس چوک دانشگاه پرینستون در نیوجرسی؛ "اگر اتم سوم را اضافه کنید، حالت خمشی دریافت می کنید، و این در برنامه های خاص بسیار مفید است. بنابراین در همین کار، گروه دویل نه تنها نشان دادند که می‌توانند سه اتمی‌های منفرد را به دام بیاندازند و شناسایی کنند، بلکه نشان دادند که می‌توانند حالت خمش درون این سه‌اتمی‌ها را به شیوه‌ای منسجم دستکاری کنند. او به این موضوع علاقه مند است که آیا می توان مولکول های هنوز بزرگتر را دستکاری کرد یا خیر، و این موضوع مطالعه ویژگی هایی مانند کایرالیته را باز می کند.

تحقیق در شرح داده شده است طبیعت.   

• محتوای مبتنی بر SEO و توزیع روابط عمومی. امروز تقویت شوید.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. به خودت قدرت بده دسترسی به اینجا.
• PlatoAiStream. هوش وب 3 دانش تقویت شده دسترسی به اینجا.
• PlatoESG. کربن ، CleanTech، انرژی، محیط، خورشیدی، مدیریت پسماند دسترسی به اینجا.
• PlatoHealth. هوش بیوتکنولوژی و آزمایشات بالینی. دسترسی به اینجا.
• منبع: https://physicsworld.com/a/individual-polyatomic-molecules-are-trapped-in-optical-tweezer-arrays/