個々の多原子分子は光ピンセットアレイに閉じ込められる – Physics World

個々の多原子分子が光ピンセットのアレイに初めて捕捉されました。米国の研究者らは、3原子分子の個々の量子状態を制御することができ、この技術は量子コンピューティングや標準模型を超えた物理学の探索に応用できる可能性がある。

分子を絶対零度に近い温度まで冷却することは、化学プロセスが量子力学によってどのように駆動されるかを知るための窓となるため、超低温物理学の刺激的なフロンティアです。何十年もの間、物理学者は原子を超低温まで冷却してきました。ただし、分子はより多くの自由度 (回転と振動) でエネルギーを保持できるため、冷却するのがはるかに困難です。分子を冷却するには、これらすべてからエネルギーを除去する必要があります。二原子分子ではかなりの成功が収められていますが、原子が追加されるたびに自由度の数が急激に増加するため、より大きな分子の進歩はさらに制限されています。

今、 ジョン・ドイル, ナサニエル・ヴィラス ハーバード大学の同僚らは、個々の三原子分子を​​量子基底状態まで冷却した。各分子はカルシウム、酸素、水素原子で構成されています。

線形幾何学

「この分子について私たちが気に入っている主な点は、基底状態では線形の幾何学形状をしていることです」と Vilas 氏は説明します。自由度。"

2022年、ビラスとドイルを含むチーム レーザーはこれらの分子の雲を110μKまで冷却した 光磁気トラップの中。しかし、これまでに 3 つ以上の原子を含む個々の分子を量子基底状態まで冷却した人はいません。

新しい研究では、Vilasらは分子を光磁気トラップから6つの隣接する光ピンセットトラップのアレイにロードした。彼らは、レーザーパルスを使用して、一部の分子を励起状態に促進しました。「この励起分子がそこにあるため、分子が相互作用する断面積がはるかに大きくなります。つまり、地面との間に双極子間の相互作用が存在します」とビラス氏は言います。状態と励起状態、それが非弾性衝突につながり、罠から外れてしまいます。」この方法を使用して、研究者らはほぼすべてのピンセット トラップ内の分子の数を 1 つに減らしました。

分子のイメージングを進める前に、研究者らは光ピンセットにどの波長の光を使用するかを決定する必要がありました。中心的な要件は、ピンセットが暗状態への意図しない励起を引き起こしてはならないことです。これらは、プローブレーザーには見えない分子の量子状態です。分子のエネルギー構造は非常に複雑であるため、高位状態の多くは分子のどの運動にも割り当てられていませんが、研究者らは、波長 784.5 nm の光が損失を最小限に抑えることを経験的に発見しました。

人口の蓄積

次に研究者らは、609 nm レーザーを使用して、623 つの原子が一列に並んだ分子の線形構成から、線が曲がる振動モードへの伝達を駆動しました。分子は、XNUMX つのほぼ縮退したスピンサブレベルの組み合わせのまま残されました。その後、XNUMX nm レーザーで分子をポンピングすることにより、元のサブ準位の XNUMX つに減衰して戻るか、レーザーを吸収しない XNUMX 番目のより低いエネルギーのサブ準位に戻る状態まで分子を励起しました。したがって、励起と減衰が繰り返されると、人口はより低いサブレベルに蓄積されました。

最後に、研究者らは、小さな高周波磁場がシステムの 2 つのエネルギーレベル間でラビ振動を引き起こす可能性があることを示しました。これは、量子コンピューティングの将来の研究にとって非常に重要になる可能性があります。「幾何学は現在の研究には何の関係もありません…私たちにはこれら 6 つのトラップがあり、それぞれが完全に独立して動作しています」と Vilas 氏は言います。 「しかし、それぞれを独立した分子量子ビットと考えることができます。したがって、私たちの目標は、これらの量子ビットにゲートの実装を開始することです。」複数の直交する自由度で情報をエンコードし、量子ビットよりも多くの情報を運ぶ「量子ビット」を作成することも可能になる可能性があります。

他の可能性としては、新しい物理学の探索が挙げられます。 「これらの分子の構造は多様であるため、その構造とさまざまな種類の新しい物理学（標準模型を超えた暗黒物質や高エネルギー粒子のいずれか）との間には関連性があり、それらを現在のレベルで制御することで、分光法が可能になるでしょう」より敏感になります」とヴィラスは言います。

「これはこの分野におけるマイルストーンのようなものです。なぜなら、2つ以上の原子を持つ単一分子さえも制御できるということだからです」と彼は言う。 ローレンス・チューク ニュージャージー州プリンストン大学の教授。 「3 番目の原子を追加すると、曲げモードが得られ、これは特定のアプリケーションでは非常に役立ちます。したがって、ドイルグループは同じ研究で、単一の三原子を捕捉して検出できることを示しただけでなく、これらの三原子の内部の曲げモードを一貫した方法で操作できることも示しました。」彼は、さらに大きな分子を操作して、キラリティーなどの特徴の研究の可能性を広げることができるかどうかに興味を持っています。

研究はで説明されています 自然.   

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• 情報源： https://physicsworld.com/a/individual-polyatomic-molecules-are-trapped-in-optical-tweezer-arrays/