Forskare vid Harvard-MIT Center for Ultracold Atoms har nyligen visat en endimensionell (1-D) magneto-optisk fälla (MOT) av polär fri radikal kalciummonohydroxid (CaOH). Denna teknik, beskrivs i ett papper publicerat i Fysiska granskningsbrev , realiserades genom att kyla CaOH med hjälp av strålande laserkylningstekniker.

"Kalla molekyler är fantastiskt komplexa system som kan vara kraftfulla mätverktyg som letar efter ny fysik utöver standardmodellen eller invecklade byggstenar för att konstruera nya kvantsystem och simulera deras beteende, "Louis Baum, en av forskarna som genomförde studien, berättade för Phys.org. "Vid låga temperaturer, vi kan fullt ut manipulera även enskilda molekyler, kontrollera hur de interagerar med miljön och varandra. "

Inspirerad av kalla molekylers potential för att avslöja nya fysiska mekanismer, forskarna gav sig ut för att undersöka vad som händer när kyltekniker tillämpas på andra föreningar eller kemiska arter. Även om det finns flera metoder för att producera kalla molekyler, Baum och hans kollegor använde direkt laserkylning, vilket har visat sig vara särskilt effektivt under det senaste decenniet.

"När förmågan att kontrollera diatomiska molekyler växte, vi var nyfikna på att förlänga samma laserkylningstekniker som tillämpas på enkla molekyler till större, mer kemiskt olika arter, "Sa Baum." Till och med att flytta från en diatomisk molekyl till en triatomisk molekyl, som CaOH, ökar systemets komplexitet väsentligt, men det ger också nya och intressanta grader av frihet. Vår förhoppning är att använda dessa nya grader av frihet för att genomföra ett antal spännande experiment. "

I deras senaste experiment, forskarna kunde visa en 1-D MOT genom att observera små förändringar i bredden på en molekylär stråle, vilket motsvarade den transversala temperaturen hos molekylerna de använde. En MOT fungerar i huvudsak genom att upprepade gånger sprida fotoner. Var och en av dessa spridda fotoner levererar sedan en liten kick av momentum till molekyler som är begränsade i fällan.

"Med en noggrann kombination av magnetfält och polariserat laserljus, vi kan styra vilka molekyler som får dessa sparkar, "Baum förklarade." Systemet ger både kylning och infångning när vi riktar oss mot de snabbaste molekylerna och molekylerna nära fällans utsida. Dock, i molekyler, samma interna komplexitet som gör dem intressanta gör det svårt att sprida ett stort antal fotoner. "

Att sprida ett stort antal fotoner genom komplexa molekyler har hittills visat sig vara mycket utmanande. Detta beror främst på att när molekyler sprider en foton kan de förfalla till ett upphetsat vibrationstillstånd, som inte adresseras av laserljuset. Detta kan i slutändan resultera i att molekylerna går förlorade i en fälla.

Den 1-D MOT som Baum och hans kollegor insåg kompenserar för denna oönskade effekt. Forskarna ger därmed ett av de första konkreta exemplen på hur molekyler kan manipuleras genom att sprida flera hundra fotoner.

"Vårt arbete är inte bara ett bevis på principen att tidigare utvecklade tekniker kan tillämpas i polyatomiska system, men vi visar också att vi har hittat en klass av molekyler där, trots sin inre komplexitet, vi kan sprida mer än 2, 000 fotoner, "Sa Baum." Dessutom, vi vet vilka vibrationstillstånd molekylerna faller i, så vi kan återställa dem. "

Bara genom att använda några extra lasrar, Baum och hans kollegor räknar med att deras metod ska möjliggöra spridning av över 10, 000 fotoner. Detta innebär att i framtida experiment kan deras tillvägagångssätt också kunna skalas upp för att täcka alla tre dimensionerna.

För ungefär ett decennium sedan, fysiker ansåg att direkt laserkylning av polyatomiska molekyler var opraktiskt, om inte helt omöjligt. Den senaste studien som gjorts av detta forskargrupp ökar bevismängden som tyder på att kylning av dessa komplexa molekyler faktiskt är möjlig.

"Vi hoppas att vår demonstration och de framsteg som kommer kommer att ge en ny experimentell plattform för att utforska gränsen för fysik och kvantkemi, "Sa Baum." Vårt omedelbara mål är att utvidga vårt resultat till en 3D-MOT CaOH som kommer att fungera som utgångspunkt för framtida experiment. Man kan tänka sig att ladda enskilda molekyler i optiska pincetter och bygga nya plattformar för kvantsimulering eller beräkning. "

I deras nästa studier, Baum och hans kollegor skulle också vilja undersöka grundläggande kollisionsprocesser, med andra ord, vad händer på kvantnivå när två molekyler kolliderar, som fortfarande är dåligt förstådd. Kollisionsstudier kan i slutändan bana väg för utveckling av förångande kyltekniker, vilket kan möjliggöra mer extrem kylning och potentiellt skapandet av en degenererad kvantgas av polyatomiska molekyler.

"Vi har också nyligen slutfört en del arbete med att utvidga laserkylning till ännu större arter kalciummonometoxid (CaOCH ₃ ), som visar att våra tekniker kan generaliseras till molekyler med kemisk eller till och med biologisk relevans, Sa Baum.

© 2020 Science X Network