С помощью лазера физики обнаружили аномалии в распаде ультрахолодных молекул NaK и NaRb
Лазеры в науке 20.10.2021 Комментарии к записи С помощью лазера физики обнаружили аномалии в распаде ультрахолодных молекул NaK и NaRb отключеныФизики из Германии и Гонконга использовали молекулы 23Na39K и 23Na87Rb для экспериментальной проверки механизма их распада через фотодиссоциацию четырехатомных комплексов, вызванную светом оптической ловушки. Для этого они модулировали ловушечный лазер, однако не обнаружили хоть какого либо влияния на скорость потерь молекул. Полученный результат находится в противоречии с экспериментами с другими молекулами и потребует пересмотра квантово-химических моделей. Исследование опубликовано в Physical Review Letters.
Ультрахолодные двухатомные молекулы с различными ядрами щелочных металлов представляют собой прекрасный объект для исследования тонкостей квантовой динамики. Физики научились одновременно контролировать их многочисленные электронные, колебательно-вращательные и сверхтонкие степени свободы. Удобства добавляет широкий выбор пар атомов в таких молекулах и большой дипольный момент, что делает ультрахолодные двухатомные молекулы подходящими объектами для квантовых симуляций, исследования многочастичной динамики и сверхточных измерений.
Сегодня ученые знают, что основным источником разрушения таких молекул становятся их неупругие столкновения и активно пытаются с этим бороться, например, с помощью экранирования. Вместе с тем интересен и сам механизм распада. Дело в том, что первые теоретические работы показали, что столкновения двух молекул должно приводить к образованию долгоживущих четырехатомных комплексов, которые должны диссоциировать обратно в молекулы. Последующие исследования пришли к выводу, что причиной распада комплексов становится их возбуждение лазерным полем, которое формирует оптические ловушки для молекул. Эта гипотеза нашла экспериментальное подтверждение для пар 87Rb133Cs и 40K87Rb, так что физики продолжают проверять ее на остальных известных двухатомных молекулах.
Две научные группы из Германии и Гонконга при участии Силке Оспелькауса (Silke Ospelkaus) из Ганноверского университета объединились, чтобы в рамках одного эксперимента измерить в своих лабораториях фотодиссоциацию комплексов на основе 23Na39K и 23Na87Rb соответственно. Чтобы достоверно утверждать, что четырехатомные комплексы разрушаются исключительно из-за света от ловушки, они решили проверить, как интенсивно будет происходить этот процесс, если лазер будет периодически выключаться. Перед началом эксперимента они построили теоретическую модель, включающую потери молекул за счет взаимодействия комплексов со светом, и убедились, что увеличение доли времени, в течение которого лазер ловушки выключен (темновое время), приводит к увеличению времени жизни молекул.
Для экспериментальной проверки физики использовали два режима выключения лазера. В первом из них использовался акустооптический модулятор, во втором — вентилятор. Второй подход в отличие от первого гарантировал полное затемнение молекул в темновом времени, однако модулятор давал больший контроль над параметрами модуляции света ловушки. Результат эксперимента, однако, показал, что модуляция никак не влияет на время жизни молекул. Физики убедились в отсутствии эффекта для различных частот, скважностей и темновых времен у обеих молекул.
Зависимость числа молекул 23Na87Rb от времени в отсутствие модуляции (черная линия) и с модуляцией частотами один килогерц (красная линия) и два килогерца (синяя линия). Во врезе показаны результаты симуляции с теми же параметрами.
Авторы сделали предположение, что прямое сравнение результатов для модулированной и непрерывной ловушек некорректно в силу возможного нагрева молекул из-за нестационарности светового поля, что может приводить к их дополнительным распадам. Чтобы проверить эту гипотезу, физики решили провести еще одну серию экспериментов, в ходе которых они подсвечивали комплексы дополнительным лучом, который назвали «лучом смерти». Такое название подчеркивает, что его главная функция — разрушение комплексов. Если изначальное предположение о фотоиндуцированном механизме распада верно, «луч смерти» должен вызывать дополнительные потери в модулированных ловушках. Таким образом, сравнивая результаты с лучом и без него, ученые могут подтвердить или опровергнуть эту гипотезу.
Последующий эксперимент показал, что «луч смерти» никак не повлиял на скорость распада молекул. Как и в предыдущей серии, физики проверили этот факт в широком диапазоне параметров, в том числе и для различных длин волн. Авторы признаются, что на текущий момент у них нет понимания о том, как следует интерпретировать такой результат, поскольку механизм фотоиндуцированного распада комплексов надежно подтвердил себя в предыдущих экспериментах и симуляциях.
Единственный способ, как, по их мнению, можно было бы согласовать полученные данные, это признать время жизни четырехатомных комплексов на основе молекул NaK и NaRb аномально долгоживущими с временами жизни не менее миллисекунд. Эта идея находится в противоречии с вычислениями, проделанными в рамках квантовой химии с помощью теории RRKM. Физики предполагают, однако, что исследованные ими молекулы обладают рядом свойств, которые не совместимы с этой теорией, и потому требуются новые вычисления.
Несмотря на вековую историю, физика атомов и молекул регулярно становится источником расхождения теории и эксперимента. Недавно мы рассказывали об обнаружении аномально малого радиуса у протона и аномально большого магнитного момента у мюона.
Марат Хамадеев
