Лазер помог собрать ультрахолодную молекулу из двух атомов
Лазеры в науке 27.09.2021 Комментарии к записи Лазер помог собрать ультрахолодную молекулу из двух атомов отключеныФизики применили двухфотонных оптический комбинационный переход через промежуточное возбужденное состояние для ассоциации атомов натрия и цезия в молекулу в слабосвязанном состоянии. Они смоги пронаблюдать осцилляции Раби для такого перехода, а также изучить то, как этот когерентный процесс зависит от свойств оптических ловушек, в которых он происходит. Исследование опубликовано в Physical Review X.
Ученые относительно недавно научились создавать и манипулировать ультрахолодными молекулами, однако они уже успели стать полезным инструментом для точных измерений, квантовых симуляций и обработки квантовой информации. Зачастую для этих целей нужны экзотические молекулы, которые собираются из отдельных, сильно охлажденных и запертых в ловушки атомов. Сложность при этом заключается в том, что для образования достаточно прочной молекулы, она должна быть создана в состоянии, чья энергия будет существенно ниже, изначальная суммарная энергия атомов, и ее избыток нужно куда-то деть. Кроме того, волновая функция такого состояния слабо пересекается с волновыми функциями атомов, что уменьшает шансы на соединение.
Для решения этой проблемы ученые соединяют атомы в молекулу в промежуточном состоянии, а затем пытаются перевести ее в целевое состояние с помощью вынужденного излучения. Самым распространенным способом сделать это стала магнитоассоциация с помощью резонанса Фешбаха, однако этот метод не работает для немагнитных атомов, а также для атомов без узких интеркомбинационных линий. В качестве альтернативы физики использую оптическую ассоциацию в лазерном поле. Несмотря на работоспособность этого метода, рождающиеся таким образом молекулы распадаются слишком быстро, чтобы можно было изучать в них какие-либо когерентные процессы.
Для решения этой проблемы команда физиков из Великобритании, Испании и США при участии Джереми Хатсона (Jeremy Hutson) из Даремского университета применила двухфотонных оптический комбинационный переход через промежуточное возбужденное состояние для ассоциации атомов натрия и цезия в молекулу в слабосвязанном состоянии. В результате им удалось наблюдать осцилляции Раби на этом переходе до того, как молекула распалась. Эксперимент начинался с помещения атомов в отдельные оптические пинцеты. После этого авторы включали слабое магнитное поле, чтобы зафиксировать выделенную ось для конкретизации проекций на нее орбитальных и спиновых моментов. За счет бокового охлаждения они добивались того, чтобы атомы занимали только основное колебательное состояние внутри пинцета, а их спины выбирались сонаправленными. При слиянии пинцетов, физики переворачивали цезиевый спин, переводя таким образом систему в начальное для комбинационного перехода состояние. Параллельно они добавляли модуляцию к частоте лазера, формирующего пинцет, равную 770 мегагерцам. Такая модуляция соответствовала биениям от сложения двух лазерных мод с частотами, необходимыми для двухфотонного перехода.
Включая комбинационный переход на небольшое и регулируемое время, физики измеряли, какая доля атомов остается в диссоциированном состоянии. Зависимость этой доли от времени носит осциллирующий характер и описывает когерентные переходы всей системы между молекулярным состоянием и состоянием свободных атомов. Осцилляции, однако, быстро затухали, что исследователи связали со временем жизни молекулы.
Зависимость доли диссоциированных атомов от времени комбинационного перехода
Для проверки этой гипотезы они включали переход на время, соответствующего полному переходу атомов в молекулярное состояние, затем давали системе проэволюционировать, а затем переключали ее обратно в атомное состояние. Изучая число сохранившихся молекул для различных времен эволюции, они получили характерное время жизни, равное 0,2 миллисекундам, которое совпало с временем затухания осцилляций Раби. Физики также исследовали зависимость свойств этих осцилляций от мощности лазера, формирующего пинцет, и его отстройки, что позволило уточнить теоретическую модель комбинационного перехода.
В заключении авторы отмечают, что эффективность перехода в их эксперименте составила 69 процентов, однако она может быть улучшена в будущем подбором других состояний. Кроме того, они указали возможные способы уменьшения декогеренции, включающие борьбу с шумом в спектре лазера и с нелинейными эффектами в волноводе.
Даже если получаемые ультрахолодные молекулы оказываются относительно стабильными, им грозит распад при взаимодействии друг с другом. Ранее мы писали, как физики борются с этим с помощью микроволного и электрического полей.
Марат Хамадеев
