Физики получили ионизированные молекулы при температуре в несколько микрокельвинов

Голландские физики сообщили о синтезе ультрахолодных ионизированных двухатомных молекул при температуре всего в несколько микрокельвинов. Для этого они смешали ионы иттербия и фешбаховские димеры лития в гибридной ион-нейтральной ловушке. Авторы показали, что флуоресценция ионов иттербия может помимо прочего служить точным сенсором концентрации димеров. Исследование опубликовано в Physical Review Letters.

Развитие криогенной техники и методов захвата отдельных атомов и молекул в ловушки открыли дорогу к беспрецедентному контролю взаимодействий между ними. Образовавшаяся таким образом ультрахолодная химия отвечает на вопросы о том, как именно происходят простейшие химические взаимодействия, например, синтез или распад.

Перспективными при этом кажутся ион-молекулярные взаимодействия благодаря богатству происходящих при этом процессов по сравнению со взаимодействием отдельных атомов. Например, одним из продуктов таких реакций могут стать ионизированные молекулы. Такие системы полезны для работы с квантовой информацией, прецизионной спектроскопии, а также для большего понимания процессов, происходящих при ультрахолодных реакциях. Однако существующие на сегодня методы синтеза таких молекул работают при температурах порядка одного кельвина, в то время как характерные температуры в других ультрахолодных химических процессах уже достигли половины микрокельвина.

Хенрик Хирцлер (Henrik Hirzler) из Амстердамского университета со своими нидерландскими коллегами сообщили о новом способе получения ионизированных молекул, чья температура составляет всего несколько микрокельвин. В его основе лежит ультрахолодная химическая реакция между ионами иттербия и фешбаховским димером лития. Авторы показали, что эта реакция также служит высокоточным сенсором, позволяющим определить наличие молекул в смеси в очень низких концентрациях.

Когда два нейтральных атома находятся в непосредственной близости, между ними возникают слабое взаимодействие Ван-дер-Ваальса, обусловленное наличием у них ненулевых средних дипольных моментов. Знак этого взаимодействия зависит от расстояния: на достаточно большой дистанции атомы притягиваются, а на малой — отталкиваются. Это можно описать с помощью потенциальной ямы, в которой, согласно квантовой механике, может образовываться хрупкое связанное состояние, называемое резонансом Фешбаха. При комнатных температурах энергия кинетического движения атомов слишком велика, чтобы образовать такой резонанс, но при сверхнизких температурах они могут образовать фешбаховский димер. Именно с такими димерами, как оказалось, может прореагировать ион иттербия.

Чтобы убедиться в этом авторы подготавливали иттербий-литиевую смесь в гибридной ион-нейтральной ловушке. Перед смешиванием ионы ¹⁷⁴Yb⁺ были захвачены в ловушку Пауля, а атомы ⁶Li — в оптической-дипольную ловушку. 2,2×10⁴ атомов лития находились там при температуре несколько милликельвин и магнитных полях близких к значению 832 гаусса, при котором резонанс Фешбаха становится особенно сильным. Магнитное поле физики использовали для управления вероятностью создания димеров лития, чья плотность в течение всего эксперимента не превышала десяти процентов от плотности атомов лития.

Затем ученые смешивали литий с ионами иттербия на полсекунды, слегка смещая с помощью пьезоэлементов зеркала, формирующие оптическую ловушку, после чего допплеровски охлаждали ионы и следили за интенсивностью их флуоресценции. Эта интенсивность уменьшалась, по сравнению с таковой в отсутствии смешивания, что свидетельствовало в пользу образования ионизированных молекул LiYb⁺.

Для проверки этой гипотезы физики провели серию масс-спектрометрических измерений с помощью дополнительного радиочастотного поля. Принцип работы ионной ловушки основан на том, что в магнитном поле ионы движутся по круговым траекториям с циклотронной частотой, которая зависит от их заряда и массы. Если частота дополнительного поля совпадает с циклотронной частотой иона, это приведет к резонансной передаче ему энергии и, как следствие, вылету его из ловушки. Как показал эксперимент, потери ионов иттербия усиливаются на частотах, соответствующих ионам с массами, равными сумме масс лития и иттербия.

Наконец, авторы изучили чувствительность флуоресцентного метода. Они измеряли вероятность отсутствия свечения ионов иттербия в зависимости концентрации димеров, которая контролировалась магнитным полем. Эта вероятность ощутимо отличалась от нуля, даже если концентрация димеров составляла 0,4 процента концентрации свободных атомов. Для условий эксперимента это означало наличие в смеси всего 50 фешбаховских димеров.

Ультрахолодные реакции между атомами и димерами содержат больше интересной физики, чем реакции только между двумя атомами. Недавно мы рассказывали, как их интенсивностью управляют с помощью магнитного поля.

Марат Хамадеев