Realiseringen af ​​en 1-D magneto-optisk fælde af polyatomiske molekyler

Forskere ved Harvard-MIT Center for Ultracold Atoms har for nylig demonstreret en endimensionel (1-D) magneto-optisk fælde (MOT) af polært frit radikal calciummonohydroxid (CaOH). Denne teknik, beskrevet i et papir udgivet i Fysisk gennemgangsbreve , blev realiseret ved afkøling af CaOH ved hjælp af radiative laserkølingsteknikker.

"Kolde molekyler er vidunderligt komplekse systemer, der kan være kraftfulde måleværktøjer, der leder efter ny fysik ud over standardmodellen eller indviklede byggesten til at konstruere nye kvantesystemer og simulere deres adfærd, " Louis Baum, en af ​​de forskere, der har udført undersøgelsen, fortalte Phys.org. "Ved lave temperaturer, vi er i stand til fuldt ud at manipulere selv individuelle molekyler, kontrollere, hvordan de interagerer med miljøet og hinanden."

Inspireret af kolde molekylers potentiale til at afsløre nye fysiske mekanismer, forskerne satte sig for at undersøge, hvad der sker, når køleteknikker anvendes på andre forbindelser eller kemiske arter. Mens der er flere tilgange til fremstilling af kolde molekyler, Baum og hans kolleger brugte direkte laserkøling, hvilket har vist sig at være særligt effektivt i løbet af det sidste årti.

"Efterhånden som evnen til at kontrollere diatomiske molekyler voksede, vi var nysgerrige efter at udvide de samme laserkølingsteknikker, der anvendes til simple molekyler, til større, mere kemisk forskellige arter, " sagde Baum. "Selv at flytte fra et diatomisk molekyle til et triatomisk molekyle, ligesom CaOH, øger systemets kompleksitet væsentligt, men det medfører også nye og interessante frihedsgrader. Vores håb er at bruge disse nye frihedsgrader til at udføre en række spændende eksperimenter."

I deres seneste eksperimenter, forskerne var i stand til at demonstrere en 1-D MOT ved at observere små ændringer i bredden af ​​en molekylær stråle, som svarede til den tværgående temperatur af de molekyler, de brugte. En MOT fungerer i det væsentlige ved gentagne gange at sprede fotoner. Hver af disse spredte fotoner afgiver derefter et lille kick af momentum til molekyler, der er indespærret i fælden.

"Med en omhyggelig kombination af magnetfelt og polariseret laserlys, vi kan kontrollere, hvilke molekyler der modtager disse kicks, "Baum forklarede. "Systemet giver både afkøling og fangst, når vi målretter mod de hurtigste molekyler og molekyler nær ydersiden af ​​fælden. Imidlertid, i molekyler, den samme indre kompleksitet, der gør dem interessante, gør det vanskeligt at sprede et stort antal fotoner."

Spredning af et stort antal fotoner gennem komplekse molekyler har indtil videre vist sig at være meget udfordrende. Dette skyldes primært, at når molekyler spreder en foton, kan de henfalde til en exciteret vibrationstilstand, som ikke adresseres af laserlyset. Dette kan i sidste ende resultere i, at molekylerne går tabt inde i en fælde.

1-D MOT realiseret af Baum og hans kolleger kompenserer for denne uønskede effekt. Forskerne giver således et af de første konkrete eksempler på, hvordan molekyler kan manipuleres ved at sprede flere hundrede fotoner.

"Vores arbejde er ikke kun et bevis på princippet om, at tidligere udviklede teknikker kan anvendes i polyatomiske systemer, men vi viser også, at vi har fundet en klasse af molekyler, hvor på trods af deres indre kompleksitet, vi kan sprede mere end 2, 000 fotoner, " sagde Baum. "Desuden, vi ved, hvilke vibrationstilstande molekylerne falder i, så vi kan genvinde dem."

Bare ved at bruge et par ekstra lasere, Baum og hans kolleger forventer, at deres metode skal muliggøre spredning af over 10, 000 fotoner. Det betyder, at deres tilgang i fremtidige eksperimenter også potentielt kan skaleres op til at dække alle tre dimensioner.

For omkring et årti siden, fysikere anså direkte laserkøling af polyatomiske molekyler for upraktisk, hvis det ikke er helt umuligt. Den nylige undersøgelse udført af dette hold af forskere tilføjer puljen af ​​beviser, der tyder på, at afkøling af disse komplekse molekyler faktisk er mulig.

"Vi håber, at vores demonstration og de kommende fremskridt vil give en ny eksperimentel platform til at udforske grænsen for fysik og kvantekemi, " sagde Baum. "Vores umiddelbare mål er at udvide vores resultat til en 3-D MOT af CaOH, som vil tjene som udgangspunkt for fremtidige eksperimenter. Man kan forestille sig at indlæse individuelle molekyler i en optisk pincet og bygge nye platforme til kvantesimulering eller beregning."

I deres næste studier, Baum og hans kolleger vil også gerne undersøge grundlæggende kollisionsprocesser, med andre ord, hvad sker der på et kvanteniveau, når to molekyler støder sammen, som stadig er dårligt forstået. Kollisionsstudier kan i sidste ende bane vejen for udviklingen af ​​fordampningskøleteknikker, hvilket kan muliggøre mere ekstrem afkøling og potentielt skabelsen af ​​en degenereret kvantegas af polyatomiske molekyler.

"Vi har også for nylig afsluttet noget arbejde med at udvide laserkøling til endnu større arter af calciummonomethoxid (CaOCH ₃ ), som viser, at vores teknikker kan generaliseres til molekyler med kemisk eller endda biologisk relevans, " sagde Baum.

© 2020 Science X Network