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 важной характеристикой вещества является спектр излучения атомов или молекул. Он описывает, насколько хорошо атом или молекула может поглощать фотоны с определенной энергий (или, что то же самое, фотоны с определенной длиной волны). Зависимость вероятности поглощения фотона от энергии практически всегда имеет характерные пики, то есть атомы или молекулы хорошо поглощают фотоны с какими-то определенными энергиями и хуже поглощают все остальные. Это связано с так называемыми энергетическими уровнями молекулы или атома.

Принципиальная схема ловушки с гармоническим потенциалом. Chin-wen Chou et al. \Nature 2017

В начале двадцатого века Нильс Бор попробовал на примере водорода объяснить, почему это происходит. 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.

Спектр поглощения (сверху) и излучения (снизу) атома водорода. журнал Химия и Химики

Впоследствии оказалось, что все устроено несколько сложнее, однако модель Бора может неплохо предсказывать ряд наблюдаемых явлений, например дискретные спектры простых атомов. Но с молекулами все оказывается не так просто. Помимо того, что их энергетический спектр отличается от простого сложения спектров атомов, из которых состоит молекула, появляются новые механизмы поглощения. Так, части молекулы могут вращаться или колебаться друг относительно друга. Из-за этого 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 однократно 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 кальциев не присоединил водород, образовав молекулу CaH+. Эта молекула довольно быстро сбросила лишнюю энергию, «спустившись» к невозбужденному состоянию в плане 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.

После этих приготовлений на систему светили c помощью различных лазеров. Лучи подбирались таким образом, чтобы они могли влиять на молекулу только если та 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 механизм. 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 «расческой», 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.

Автор: Александр Чепилко