Onderzoekers van het Harvard-MIT Center for Ultracold Atoms hebben onlangs een eendimensionale (1-D) magneto-optische val (MOT) van polaire vrije radicalen calciummonohydroxide (CaOH) aangetoond. Deze techniek, geschetst in een paper gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven , werd gerealiseerd door CaOH te koelen met behulp van stralingslaserkoeltechnieken.

"Koude moleculen zijn wonderbaarlijk complexe systemen die krachtige meetinstrumenten kunnen zijn die op zoek zijn naar nieuwe fysica die verder gaat dan het standaardmodel of ingewikkelde bouwstenen om nieuwe kwantumsystemen te bouwen en hun gedrag te simuleren, "Louis Baum, een van de onderzoekers die het onderzoek heeft uitgevoerd, vertelde Phys.org. "Bij lage temperaturen we zijn in staat om zelfs individuele moleculen volledig te manipuleren, bepalen hoe ze omgaan met de omgeving en met elkaar."

Geïnspireerd door het potentieel van koude moleculen voor het onthullen van nieuwe fysieke mechanismen, de onderzoekers wilden onderzoeken wat er gebeurt als koeltechnieken worden toegepast op andere verbindingen of chemische soorten. Hoewel er verschillende benaderingen zijn voor het produceren van koude moleculen, Baum en zijn collega's gebruikten directe laserkoeling, die de afgelopen tien jaar bijzonder effectief is gebleken.

"Naarmate het vermogen om diatomische moleculen te controleren groeide, we waren nieuwsgierig om dezelfde laserkoelingstechnieken toegepast op eenvoudige moleculen uit te breiden naar grotere, meer chemisch diverse soorten, "Zei Baum. "Zelfs als we van een twee-atomige molecule naar een drie-atomige molecule gaan, zoals CaOH, verhoogt de complexiteit van het systeem aanzienlijk, maar het brengt ook nieuwe en interessante vrijheidsgraden met zich mee. We hopen deze nieuwe vrijheidsgraden te gebruiken om een ​​aantal spannende experimenten uit te voeren."

In hun recente experimenten, de onderzoekers konden een 1-D MOT aantonen door kleine veranderingen in de breedte van een moleculaire bundel waar te nemen, die overeenkwam met de transversale temperatuur van de moleculen die ze gebruikten. Een APK werkt in wezen door het herhaaldelijk verstrooien van fotonen. Elk van deze verstrooide fotonen levert vervolgens een kleine impuls aan moleculen die in de val zijn opgesloten.

"Met een zorgvuldige combinatie van magnetisch veld en gepolariseerd laserlicht, we kunnen bepalen welke moleculen deze kicks krijgen, " legde Baum uit. "Het systeem zorgt voor zowel koeling als vangst wanneer we ons richten op de snelste moleculen en moleculen in de buurt van de buitenkant van de val. Echter, in moleculen, dezelfde interne complexiteit die ze interessant maakt, maakt het moeilijk om grote aantallen fotonen te verspreiden."

Het verstrooien van een groot aantal fotonen door complexe moleculen is tot nu toe een grote uitdaging gebleken. Dit komt voornamelijk omdat moleculen die een foton verstrooien, kunnen vervallen in een aangeslagen trillingstoestand, die niet wordt aangesproken door het laserlicht. Dit kan er uiteindelijk toe leiden dat de moleculen verloren gaan in een val.

De door Baum en zijn collega's gerealiseerde 1-D APK compenseert dit ongewenste effect. De onderzoekers geven daarmee een van de eerste concrete voorbeelden van hoe moleculen gemanipuleerd kunnen worden door enkele honderden fotonen te verstrooien.

"Ons werk is niet alleen een bewijs van het principe dat eerder ontwikkelde technieken kunnen worden toegepast in polyatomaire systemen, maar we laten ook zien dat we een klasse moleculen hebben gevonden waar, ondanks hun interne complexiteit, we kunnen meer dan 2 verstrooien, 000 fotonen, ' zei Baum. 'Bovendien, we weten in welke vibratietoestanden de moleculen vallen, zodat we ze kunnen herstellen."

Gewoon door een paar extra lasers te gebruiken, Baum en zijn collega's verwachten dat hun methode de verstrooiing van meer dan 10, 000 fotonen. Dit betekent dat hun aanpak in toekomstige experimenten mogelijk ook kan worden opgeschaald om alle drie de dimensies te bestrijken.

Ongeveer een decennium geleden, natuurkundigen beschouwden de directe laserkoeling van polyatomaire moleculen als onuitvoerbaar, indien niet geheel onhaalbaar. De recente studie die door dit team van onderzoekers is uitgevoerd, draagt ​​bij aan de hoeveelheid bewijs die suggereert dat het koelen van deze complexe moleculen in feite mogelijk is.

"We hopen dat onze demonstratie en de komende vorderingen een nieuw experimenteel platform zullen bieden om de grenzen van de natuurkunde en kwantumchemie te verkennen, " zei Baum. "Ons onmiddellijke doel is om ons resultaat uit te breiden tot een 3-D MOT van CaOH die als uitgangspunt voor toekomstige experimenten zal dienen. Je kunt je voorstellen dat je individuele moleculen in een optisch pincet laadt en nieuwe platforms bouwt voor kwantumsimulatie of berekening."

In hun volgende studies, Baum en zijn collega's willen ook fundamentele botsingsprocessen onderzoeken, met andere woorden, wat gebeurt er op kwantumniveau als twee moleculen botsen, die nog steeds slecht begrepen wordt. Botsingsstudies zouden uiteindelijk de weg kunnen banen voor de ontwikkeling van verdampingskoelingstechnieken, wat extremere koeling mogelijk maakt en mogelijk de creatie van een gedegenereerd kwantumgas van polyatomaire moleculen.

"We hebben onlangs ook wat werk voltooid om laserkoeling uit te breiden tot zelfs grotere soorten calciummonomethoxide (CaOCH ₃ ), waaruit blijkt dat onze technieken kunnen worden gegeneraliseerd naar moleculen met chemische of zelfs biologische relevantie, ' zei Baum.

© 2020 Wetenschap X Netwerk