Создан квантовый «лифт» для доставки молекул на нужный энергетический уровень

Физики из США и Германии придумали схему установки, которая может переводить электроны между энергетическими уровнями в определенных видах заряженных молекул, возбуждать различные молекулярные колебания и вращения, а также считывать состояние, в котором находится молекула, не разрушая это состояние. Использование молекул вместо атомов может быть применено в спектроскопии, квантовых вычислениях, а также помочь провести более точную экспериментальную проверку ряда теоретических утверждений в физике. Соответствующая статья опубликована в журнале Nature.

В физике очень важными характеристиками вещества являются спектры излучения и поглощения атомов или молекул. Они описывают, насколько хорошо атом или молекула может поглощать и излучать фотоны с определенной энергий (или, что то же самое, фотоны с определенной длиной волны). Для относительно простых систем эти спектры часто имеют ярко выраженные пики, соответствующие фотонам определенной длины волны. Это означает, что фотоны именно такой длины активно поглощаются (или излучаются), при этом фотоны другой длинны волны с системой не взаимодействуют, либо взаимодействуют неким другим образом.

В начале двадцатого века Нильс Бор попытался на примере водорода объяснить природу этих пиков. Для этого он выдвинул два постулата: первый — электроны могут существовать только на определенных стационарных орбитах с некоторой энергией, и в таких стационарных состояниях атом не излучает фотоны. Второй — излучение или поглощение происходит, когда электроны переходят с орбиты на орбиту, а энергия излученного или поглощенного фотона как раз соответствует разнице энергий между начальной и конечной орбитами.

Впоследствии, с развитием квантовой механики оказалось, что все устроено сложнее. Кроме того, по сравнению с атомами, у молекул есть дополнительные механизмы взаимодействия с фотонами, части молекулы могут вращаться или колебаться друг относительно друга. Это позволяет взаимодействовать с фотонами, возбуждающими эти колебания и «сбрасывать» энергию этих колебаний, излучая фотон. Из-за таких механизмов энергетический спектр молекул оказывается намного сложнее, а значит с ним сложнее взаимодействовать с необходимой точностью. Кроме того, часть состояний довольно неустойчивы и выполнить серию манипуляций с молекулой (например изменить направление вращения молекулы), не разрушая конкретное энергетическое состояние может быть очень непросто. Также на молекулу недостаточно лишь повлиять, нужно еще каким-то образом узнать, в каком состоянии она находится. В идеале — не нарушая это состояние, но часто это очень сложно. Обычно в таких исследованиях довольствуются возможностью быстро вернуть в него молекулу.

Для решения проблемы считывания состояний ученые в своей работе предложили не всегда напрямую работать с заряженной молекулой, а использовать буферный элемент в виде атомарного иона. Этот ион «мягко» взаимодействует с молекулой посредством кулоновского отталкивания. При этом влияние атомарного иона принципиально не изменяет возможные состояния молекулы, оно лишь немного «сдвигает» ее энергетические уровни и добавляет новые, связанные с общими колебаниями молекулы и иона. Именно благодаря этим общим колебаниям ученые и определяют состояние молекулы.

По утверждению авторов статьи — это первая реализация универсальной схемы, в которой можно управлять не только электронными состояниями молекулы, но и ее вращением и различными колебаниями, не привязывая саму установку непосредственно к строению молекулы. Для исследования конкретной молекулы необходимо лишь подобрать подходящий атомарный ион, соответствующим образом изменить длину волны лазеров и поместить молекулу с атомарным ионом в ловушки.

В своей работе авторы использовали в качестве атомарного иона Ca⁺, а в качестве заряженной молекулы — CaH⁺. К началу эксперимента систему приготовили следующим образом: сначала два иона кальция при высоком вакууме (4×10^-9 Па) поместили в ловушки. Затем в камеру начали понемногу запускать водород, пока один из атомов кальция не присоединил водород, образовав молекулу CaH⁺. Эта молекула довольно быстро сбросила лишнюю энергию, «спустившись» к невозбужденному состоянию электронных орбит и колебаний, но оставив при этом в возбужденном состоянии вращательные уровни энергии. Далее пару ионов с помощью лазеров привели в «базовое состояние» взаимного движения, из которого потом переводили в исследуемые состояния.

Дальнейшее взаимодействие с системой происходило следующим образом. Длина волны лазера подбирались таким образом, чтобы молекула поглощала фотоны только при условии, что молекула находится в определенном энергетическом состоянии: только тогда в системе молекула-атомарный ион возникали колебания, в ином случае фотоны просто не поглощались.

Для того, чтобы считать полученное состояние, ученые использовали следующий прием. Они светили на атомарный ион лазером, подбирая энергию фотонов следующим образом: энергия колебания системы «атомарный ион плюс молекула» в сумме с этим фотоном должны перевести на более высокий энергетический уровень один из электронов атомарного иона. При этом колебания вместе с фотоном поглощались атомарным ионом, оставляя молекулу в исследуемом состоянии. Со временем возбужденный электрон падал обратно на свой «родной» энергетический уровень, испуская фотон заранее известной энергии. Именно по этим фотонам физики и понимали, что молекула была в «нужном» энергетическом состоянии. Также для управления вращениями молекулы физики светили на нее светом с различным угловым моментом фотонов. Из-за закона сохранения момента импульса молекула начинала вращаться с тем же моментом, которым обладал поглощенной фотон.

В дальнейшем ученые хотят модифицировать свой метод, заменив один из источников света частотной гребёнкой, таким образом расширив область энергий фотонов, которые летят к молекуле и атомарному иону. Это даст возможность использовать большее количество энергетических переходов, а также позволит «прыгать» от одного исследуемого состояния к другому быстрее, чем это происходит сейчас.

Александр Чепилко