Des molécules polyatomiques individuelles sont piégées dans des réseaux de pinces optiques – Physics World

Des molécules polyatomiques individuelles ont été piégées pour la première fois dans des réseaux de pinces optiques. Des chercheurs américains ont pu contrôler les états quantiques individuels des molécules à trois atomes et cette technique pourrait trouver des applications dans l'informatique quantique et dans la recherche de physique au-delà du modèle standard.

Le refroidissement des molécules à des températures proches du zéro absolu constitue une frontière passionnante dans la physique ultra-froide, car elle ouvre une fenêtre sur la manière dont les processus chimiques sont pilotés par la mécanique quantique. Depuis des décennies, les physiciens refroidissent les atomes à des températures ultra-froides. Cependant, les molécules sont beaucoup plus difficiles à refroidir car elles peuvent retenir l’énergie dans beaucoup plus de degrés de liberté (rotation et vibration) – et refroidir une molécule nécessite de retirer l’énergie de tous ces éléments. Des succès considérables ont été obtenus avec les molécules diatomiques, mais le nombre de degrés de liberté augmente fortement avec chaque atome supplémentaire, de sorte que les progrès avec des molécules plus grosses ont été plus limités.

Maintenant, John Doyle, Nathaniel Vilas et des collègues de l'Université Harvard ont refroidi des molécules triatomiques individuelles jusqu'à leurs états fondamentaux quantiques. Chaque molécule comprend un atome de calcium, un oxygène et un atome d'hydrogène.

Géométrie linéaire

"La principale chose que nous aimons à propos de cette molécule est que, dans son état fondamental, elle a une géométrie linéaire", explique Vilas, "mais elle a un état excité de basse altitude avec une géométrie courbée… et cela vous donne un effet de rotation supplémentaire. degré de liberté."

En 2022, une équipe comprenant Vilas et Doyle le laser a refroidi un nuage de ces molécules à 110 μK dans un piège magnéto-optique. Cependant, personne n’a jamais refroidi des molécules individuelles contenant plus de deux atomes jusqu’à leur état quantique fondamental.

Dans le nouveau travail, Vilas et ses collègues ont chargé leurs molécules à partir d'un piège magnéto-optique dans un réseau de six pièges optiques adjacents. Ils ont utilisé une impulsion laser pour promouvoir certaines molécules vers un état excité : « Parce que cette molécule excitée est là, il y a une section efficace beaucoup plus grande pour que les molécules interagissent », explique Vilas. « Il y a donc une interaction dipôle-dipôle entre le sol. état et état excité, qui conduisent à des collisions inélastiques et ils se perdent du piège. Grâce à cette méthode, les chercheurs ont réduit à une seule le nombre de molécules présentes dans presque tous les pièges à pinces.

Avant de pouvoir procéder à l’imagerie des molécules, les chercheurs ont dû décider quelle longueur d’onde de lumière ils devaient utiliser pour la pince optique. L’exigence centrale est que la pince à épiler ne provoque pas d’excitation involontaire dans des états sombres. Ce sont des états quantiques de la molécule qui sont invisibles à la sonde laser. La structure énergétique de la molécule est si complexe que de nombreux états élevés n'ont été attribués à aucun mouvement de la molécule, mais les chercheurs ont découvert empiriquement que la lumière à une longueur d'onde de 784.5 nm entraînait une perte minime.

Accumulation de population

Les chercheurs ont ensuite utilisé un laser à 609 nm pour piloter une transmission depuis une configuration linéaire de la molécule dans laquelle les trois atomes sont alignés, vers un mode vibrationnel dans lequel la ligne se courbe. Les molécules ont été laissées dans une combinaison de trois sous-niveaux de spin presque dégénérés. En pompant ensuite les molécules avec un laser à 623 nm, ils ont excité les molécules jusqu'à un état qui les a amenées soit à se désintégrer à l'un des sous-niveaux d'origine, soit à un quatrième sous-niveau d'énergie inférieure qui n'a pas absorbé le laser. Avec des excitations et des déclins répétés, la population s’est donc accumulée dans le sous-niveau inférieur.

Enfin, les chercheurs ont montré qu’un petit champ magnétique radiofréquence pouvait provoquer des oscillations de Rabi entre deux niveaux d’énergie du système. Cela pourrait être extrêmement important pour les recherches futures en informatique quantique : « La géométrie n'a aucune incidence sur les travaux actuels… Nous avons ces six pièges et chacun se comporte de manière totalement indépendante », explique Vilas. "Mais vous pouvez considérer chacun d'eux comme un qubit moléculaire indépendant, notre objectif serait donc de commencer à implémenter des portes sur ces qubits." Il pourrait même être possible de coder des informations selon plusieurs degrés de liberté orthogonaux, créant ainsi des « qudits » contenant plus d’informations que les qubits.

D'autres possibilités incluent la recherche de nouvelle physique. "En raison de la diversité de la structure de ces molécules, il existe un couplage entre la structure et différents types de nouvelle physique - soit la matière noire, soit les particules de haute énergie au-delà du modèle standard, et les contrôler au niveau dont nous disposons actuellement rendra les méthodes spectroscopiques plus efficaces. plus sensible », explique Vilas.

"C'est en quelque sorte une étape importante dans le domaine car cela indique que nous pouvons contrôler même des molécules uniques comportant plus de deux atomes", explique Laurent Cheuk de l'Université de Princeton au New Jersey ; « Si vous ajoutez un troisième atome, vous obtenez un mode de flexion, ce qui est très utile dans certaines applications. Ainsi, dans le même travail, le groupe Doyle a non seulement montré qu’il pouvait piéger et détecter des triatomes uniques : il a également montré qu’il pouvait manipuler de manière cohérente le mode de flexion à l’intérieur de ces triatomes. Il se demande si des molécules encore plus grosses peuvent être manipulées, ouvrant ainsi la voie à l'étude de caractéristiques telles que la chiralité.

La recherche est décrite dans Nature.   

• Contenu propulsé par le référencement et distribution de relations publiques. Soyez amplifié aujourd'hui.
• PlatoData.Network Ai générative verticale. Autonomisez-vous. Accéder ici.
• PlatoAiStream. Intelligence Web3. Connaissance Amplifiée. Accéder ici.
• PlatonESG. Carbone, Technologie propre, Énergie, Environnement, Solaire, La gestion des déchets. Accéder ici.
• PlatoHealth. Veille biotechnologique et essais cliniques. Accéder ici.
• La source: https://physicsworld.com/a/individual-polyatomic-molecules-are-trapped-in-optical-tweezer-arrays/