Posamezne poliatomske molekule so ujete v nizih optičnih pincet – Physics World

Posamezne poliatomske molekule so bile prvič ujete v nize optičnih pincet. Raziskovalcem v ZDA je uspelo nadzorovati posamezna kvantna stanja molekul s tremi atomi in tehnika bi lahko našla aplikacije v kvantnem računalništvu in iskanju fizike onkraj standardnega modela.

Ohlajanje molekul na temperature blizu absolutne ničle je vznemirljiva meja v ultrahladni fiziki, saj ponuja okno v to, kako kemijske procese poganja kvantna mehanika. Desetletja so fiziki ohlajali atome na ultra nizke temperature. Vendar pa je molekule veliko težje ohladiti, ker lahko zadržijo energijo v veliko več prostostnih stopnjah (vrtenje in vibracije) – in hlajenje molekule zahteva odstranitev energije iz vseh teh. Precejšen uspeh je bil dosežen z dvoatomnimi molekulami, vendar število prostostnih stopenj strmo narašča z vsakim dodatnim atomom, zato je bil napredek z večjimi molekulami bolj omejen.

zdaj, John doyle, Nathaniel Vilas in kolegi na univerzi Harvard so ohladili posamezne triatomske molekule na njihova kvantna osnovna stanja. Vsaka molekula je sestavljena iz atoma kalcija, kisika in vodika.

Linearna geometrija

»Glavna stvar, ki nam je všeč pri tej molekuli, je, da ima v osnovnem stanju linearno geometrijo,« pojasnjuje Vilas, »vendar ima nizko ležeče vzbujeno stanje z upognjeno geometrijo ... in to vam daje dodatno rotacijsko stopnja svobode."

Leta 2022 ekipa, vključno z Vilasom in Doylom lasersko ohladil oblak teh molekul na 110 μK v magnetno-optični pasti. Nihče pa še nikoli ni ohladil posameznih molekul, ki vsebujejo več kot dva atoma, v njihova kvantna osnovna stanja.

V novem delu so Vilas in sodelavci naložili svoje molekule iz magnetno-optične pasti v niz šestih sosednjih optičnih pasti s pinceto. Uporabili so laserski impulz za spodbujanje nekaterih molekul v vzbujeno stanje: »Ker je ta vzbujena molekula tam, obstaja veliko večji presek za medsebojno delovanje molekul,« pravi Vilas, »Torej obstaja nekaj dipol-dipolne interakcije med tlemi stanju in vzbujenem stanju, kar vodi do neelastičnih trkov in se izgubijo iz pasti.« S to metodo so raziskovalci zmanjšali število molekul v skoraj vseh pasteh s pinceto na samo eno.

Preden so lahko nadaljevali s slikanjem molekul, so se raziskovalci morali odločiti, katero valovno dolžino svetlobe naj uporabijo za optično pinceto. Glavna zahteva je, da pinceta ne sme povzročiti nenamernega vzbujanja v temna stanja. To so kvantna stanja molekule, ki so sondnemu laserju nevidna. Energijska struktura molekule je tako zapletena, da veliko visoko ležečih stanj ni bilo pripisanih nobenemu gibanju molekule, vendar so raziskovalci empirično ugotovili, da je svetloba pri valovni dolžini 784.5 nm povzročila minimalno izgubo.

Kopičenje prebivalstva

Raziskovalci so nato uporabili 609 nm laser za prenos od linearne konfiguracije molekule, v kateri so trije atomi v liniji, do vibracijskega načina, v katerem se črta upogne. Molekule so ostale v kombinaciji treh skoraj degeneriranih spinskih podravni. Z naknadnim črpanjem molekul z laserjem 623 nm so molekule vzbudili v stanje, ki je bodisi razpadlo nazaj na enega od prvotnih podnivojev ali na četrto, nižjeenergijsko podnivo, ki ni absorbiralo laserja. S ponavljajočim se vzbujanjem in razpadom se je torej populacija kopičila v nižjem podravni.

Končno so raziskovalci pokazali, da lahko majhno radiofrekvenčno magnetno polje poganja Rabijeva nihanja med dvema energijskima nivojema sistema. To bi lahko bilo zelo pomembno za prihodnje raziskave kvantnega računalništva: "Geometrija nima nobenega vpliva na to trenutno delo … Imamo teh šest pasti in vsaka se obnaša popolnoma neodvisno," pravi Vilas. "Vendar si lahko vsakega od njih predstavljate kot neodvisen molekularni kubit, zato bi bil naš cilj začeti izvajati vrata na teh kubitih." Lahko bi bilo celo mogoče kodirati informacije v več ortogonalnih stopnjah svobode, kar bi ustvarilo "qudits", ki nosijo več informacij kot kubiti.

Druge možnosti vključujejo iskanje nove fizike. »Zaradi raznolike strukture teh molekul obstaja povezava med strukturo in različnimi vrstami nove fizike – bodisi temno snovjo ali visokoenergijskimi delci, ki presegajo standardni model, in njihovo nadzorovanje na ravni, ki jo imamo zdaj, bo omogočilo spektroskopske metode bolj občutljiv,« pravi Vilas.

"To je nekakšen mejnik na tem področju, saj pravi, da lahko nadzorujemo celo posamezne molekule, ki imajo več kot dva atoma," pravi Lawrence Cheuk univerze Princeton v New Jerseyju; »Če dodate tretji atom, dobite način upogibanja, kar je zelo uporabno v določenih aplikacijah. Torej v istem delu skupina Doyle ni le pokazala, da lahko ujamejo in zaznajo posamezne triatome: pokazali so tudi, da lahko na skladen način manipulirajo z načinom upogibanja znotraj teh triatomov. Zanima ga, ali je še vedno mogoče manipulirati z večjimi molekulami, kar odpira študije značilnosti, kot je kiralnost.

Raziskava je opisana v Narava.   

• Distribucija vsebine in PR s pomočjo SEO. Okrepite se še danes.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Opolnomočite se. Dostopite tukaj.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Razširjeno znanje. Dostopite tukaj.
• PlatoESG. Ogljik, CleanTech, Energija, Okolje, sončna energija, Ravnanje z odpadki. Dostopite tukaj.
• PlatoHealth. Obveščanje o biotehnologiji in kliničnih preskušanjih. Dostopite tukaj.
• vir: https://physicsworld.com/a/individual-polyatomic-molecules-are-trapped-in-optical-tweezer-arrays/