Физики поймали в магнитооптическую ловушку многоатомные молекулы

Американские физики сообщили о первой успешной попытке захвата многоатомных молекул магнитооптическую ловушку. Пленение позволило применить к молекулярному облаку технику оптической патоки и опустить его температуру ниже допплеровского предела, доведя ее до 110 микрокельвин. Исследование опубликовано в Nature.

Чем больше в молекуле атомов, тем богаче и сложнее ее энергетическая структура. Помимо электронных переходов, она обогащается колебательными и вращательными компонентами. Когда число атомов превышает два, их колебания в молекуле приобретают коллективный характер, что выражается в нормальных молекулярных модах.

Состояния, соответствующие разным нормальным модам, могут иметь существенно разные свойства. Так, близкие по энергии, но противоположные по четности уровни многоатомных молекул (например моногидроксида кальция, CaOH), соответствующие нормальному вращению вокруг межъядерной оси, обладают различной — линейной и квадратичной — чувствительностью к электрическому полю. Такие состояния нужны физикам для квантовых симуляций, исследования молекулярных столкновений и даже поиска физики за пределами Стандартной модели.

Все это, однако, требует сильного охлаждения молекул. Прогресс, достигнутый в этом направлении для многоатомных молекул, пока сильно уступает таковому для атомов и даже для двухатомных молекул, которые удалось довести до температуры 220 нанокельвин. В борьбе с этой трудностью могло бы помочь пленение и охлаждение многоатомных молекул в магнитооптических ловушках, ограничивающих их движение во всех трех направлениях, но такого пока еще никто не делал.

Первыми с этим справились физики из Гарвардского университета под руководством Джона Дойла (John Doyle). Они не только смогли удержать в магнитооптической ловушке облако молекул CaOH в течение 100 миллисекунд, но и охладить его до субдопплеровской температуры с помощью метода оптической патоки. По словам авторов, предложенная ими схема универсальна и может быть распространена на другие многоатомные молекулы.

В начале каждого экспериментального цикла ученые создавали пучок молекул, подвергая абляции кальциевую мишень в атмосфере водяного пара. Исследователи оптически возбуждали атомы кальция в метастабильное состояние 4s4p³P₁, чтобы увеличить вероятность образования моногидроксида. В результате из камеры вылетал пучок молекул со средней скоростью 140 метров в секунду в сторону магнитооптической ловушки, расположенной на расстоянии 81 сантиметра.

По мере движения молекул физики подвергали их лазерному охлаждению (точнее, его допплеровской разновидности). Его суть заключается в поглощении частицами излучения, которое слегка отстроено от резонанса в длинноволновую область. Величина этой отстройки выбирается так, чтобы скомпенсировать ее с помощью кинетической энергии. Авторам понадобилась целая система лучей, часть из которых предназначалась для возврата молекул в исходные состояния, с которых стартует охладительный цикл. Вдоль пути до ловушки каждая молекула рассеивала около 12 тысяч фотонов, останавливаясь до скоростей, при которых ловушка способна ее удержать (менее 10 метров в секунду).

Чтобы удостовериться в том, что молекулы действительно пойманы, исследователи измеряли сигнал флуоресценции молекул на 555 нанометрах. Это излучение было побочным продуктом охлаждения: авторы посчитали, что 1 из 18 рассеянных фотонов должен обладать такой длиной волны. Благодаря этому сигнал флуоресценции был лишен сильной засветки. Он подтвердил, что при включении катушек и лазеров ловушки, в ее области действительно скапливаются молекулы, причем при выключении возвращающих лазеров облако оставалось там тем дольше, чем слабее были ловушечные лучи. Максимальное время, которое зафиксировали физики, превысило 100 миллисекунд.

Авторы также измеряли температуру молекул с помощью времяпролетной техники. Они дожидались, когда молекулы придут в равновесие в ловушке, затем выключали ее и спустя некоторое время фотографировали. Размер облака на изображении получался тем больше, чем больше средняя скорость молекул и, следовательно, их температура. Регулировкой мощности лазеров ловушки физики смогли добиться наименьшей температуры, равной 720 микрокельвин.

Этот результат, однако, еще далек от тех температур, которые получаются для более простых молекул. Лазерное охлаждение в данном случае сталкивается с принципиальным пределом, называемым допплеровским и связанным с возникновением отдачи при переизлучении остановленной молекулой поглощенного фотона. Чтобы преодолеть этот предел, ученые применили к захваченному облаку другой тип охлаждения, называемый оптической патокой, в котором молекулы тормозятся за счет сил градиента поляризации, зависящих от скорости. Таким способом им удалось достичь температуры 110 микрокельвин.

Физики часто стараются комбинировать разные способы охлаждения. Мы уже рассказывали, как применение сизифового охлаждения совместно с испарительным позволило опустить температуру молекул монооксида иттрия до одного микрокельвина.

Марат Хамадеев