В настоящее время атомами можно манипулировать с помощью лазеров, а их спектральные характеристики можно исследовать с высокой точностью.грамм. в оптических часах. В этих экспериментах обнаружение состояния играет решающую роль: флуоресценция атома при освещении лазерным светом выявляет его внутреннее квантовое состояние. Однако многие атомы и большинство молекул вообще не флуоресцируют. Таким образом, одна из стандартных процедур определения состояния в молекулах использует тот факт, что молекулы могут быть разрушены лазерным светом определенной частоты, в зависимости от их квантового состояния.
Это позволяет измерить квантовое состояние молекулы, разрушив ее. Конечно, эту процедуру обнаружения можно применять только один раз на молекулу.
Руководитель проекта Пит Шмидт имеет многолетний опыт работы с системами, в которых обнаружение состояния затруднено.
Он участвовал в разработке «квантовой логической спектроскопии» в исследовательской группе нобелевского лауреата Дэвида Дж. Вайнлендом и расширил его со своей собственной исследовательской группой до «фотонной спектроскопии отдачи».
Все эти новые методы спектроскопии основаны на общем принципе: помимо исследуемого иона, один захватывает второй ион другого вида, который можно контролировать и флуоресценцию которого можно использовать для определения состояния. Из-за своего электрического отталкивания обе частицы ведут себя так, как если бы они были связаны сильной пружиной, так что их движение синхронизировано. Вот как измерение одной частицы может выявить свойства другой частицы.
Шмидт и его коллеги используют молекулярный MgH + -ион (который является предметом исследования) и атомарный Mg + -ион (на котором будут проводиться измерения). Они удерживают обе частицы электрическими полями в ионной ловушке.
Затем лазеры используются для охлаждения движения частиц до основного состояния, в котором синхронное движение почти прекращается.
Новый трюк, продемонстрированный в этом эксперименте, основан на использовании дополнительного лазера, действие которого похоже на действие оптического пинцета.
Его можно использовать для приложения сил к молекуле. «Лазер встряхивает молекулу, только если молекула находится в одном конкретном вращательном состоянии», – объясняет Фабиан Вольф, физик из исследовательской группы Шмидта. «Мы можем обнаружить эффект -что является возбуждением общего движения молекулы и атома на атомном ионе с помощью дополнительных лазеров. Если атом загорается, молекула была в том состоянии, которое мы исследовали.
Если он остается темным, молекула находилась в каком-то другом состоянии."
Пит Шмидт выделяет два основных результата выводов команды: «Из-за неразрушающего характера нашей техники мы могли наблюдать, как молекула перескакивает из одного состояния вращения в другое. Впервые такие квантовые скачки наблюдались непосредственно в изолированной молекуле.
Более того, мы могли бы улучшить неопределенность частоты перехода в электронно-возбужденное состояние.Он также указывает на будущие цели: «Следующим шагом является систематическая подготовка молекулы в этом квантовом состоянии вместо ожидания, пока тепловое излучение произвольно подготовит ее."
Исследователи уверены, что их разработка будет важна для научных сообществ, которым нужны точные методы спектроскопии.грамм. квантовая химия, где исследуется внутренняя структура молекул, или астрономия, где спектры холодных молекул могут научить нас новому о происхождении и свойствах Вселенной.
Кроме того, прецизионная молекулярная спектроскопия важна для поиска изменений фундаментальных констант и пока скрытых свойств элементарных частиц, таких как электрический дипольный момент электрона.
Эти тесты фундаментальной физики были первоначальной мотивацией Шмидта к работе над новой техникой обнаружения. «Чтобы сделать эти приложения практичными, мы должны вывести молекулярную спектроскопию на уровень, аналогичный уровню сегодняшних оптических часов, основанных на атомах», – говорит Пит Шмидт, когда его спрашивают о его долгосрочной цели: «Для этой цели мы должны улучшить разрешение наших измерений на порядки, что наверняка займет несколько лет."