I ricercatori dell'Harvard-MIT Center for Ultracold Atoms hanno recentemente dimostrato una trappola magneto-ottica (MOT) unidimensionale (1-D) di monoidrossido di calcio (CaOH) a radicali liberi polari. Questa tecnica, delineato in un articolo pubblicato su Lettere di revisione fisica , è stato realizzato raffreddando CaOH mediante tecniche di raffreddamento laser radiativo.

"Le molecole fredde sono sistemi meravigliosamente complessi che possono essere potenti strumenti di misurazione alla ricerca di nuova fisica oltre il modello standard o intricati elementi costitutivi per costruire nuovi sistemi quantistici e simulare il loro comportamento, " Louis Baum, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio, ha detto a Phys.org. "Alle basse temperature, siamo in grado di manipolare completamente anche singole molecole, controllando il modo in cui interagiscono con l'ambiente e tra di loro".

Ispirato dal potenziale delle molecole fredde per svelare nuovi meccanismi fisici, i ricercatori hanno deciso di indagare su cosa succede quando le tecniche di raffreddamento vengono applicate ad altri composti o specie chimiche. Sebbene ci siano diversi approcci per la produzione di molecole fredde, Baum e i suoi colleghi hanno utilizzato il raffreddamento laser diretto, che si è rivelato particolarmente efficace nell'ultimo decennio.

"Man mano che cresceva la capacità di controllare le molecole biatomiche, eravamo curiosi di estendere le stesse tecniche di raffreddamento laser applicate a molecole semplici a quelle più grandi, specie chimicamente più diverse, " Disse Baum. "Anche passando da una molecola biatomica a una molecola triatomica, come CaOH, aumenta notevolmente la complessità del sistema, ma determina anche nuovi e interessanti gradi di libertà. La nostra speranza è di utilizzare questi nuovi gradi di libertà per condurre una serie di esperimenti entusiasmanti".

Nei loro recenti esperimenti, i ricercatori sono stati in grado di dimostrare un MOT 1-D osservando piccoli cambiamenti nella larghezza di un raggio molecolare, che corrispondeva alla temperatura trasversale delle molecole che usavano. Un MOT funziona essenzialmente diffondendo ripetutamente fotoni. Ciascuno di questi fotoni sparsi fornisce quindi un piccolo slancio alle molecole confinate all'interno della trappola.

"Con un'attenta combinazione di campo magnetico e luce laser polarizzata, possiamo controllare quali molecole ricevono questi calci, " Baum ha spiegato. "Il sistema fornisce sia il raffreddamento che l'intrappolamento quando prendiamo di mira le molecole più veloci e le molecole vicino all'esterno della trappola. Però, nelle molecole, la stessa complessità interna che li rende interessanti rende difficile la dispersione di un gran numero di fotoni".

La diffusione di un gran numero di fotoni attraverso molecole complesse si è finora rivelata molto impegnativa. Ciò è principalmente dovuto al fatto che quando le molecole diffondono un fotone possono decadere in uno stato vibrazionale eccitato, che non è indirizzato dalla luce laser. Ciò può infine comportare la perdita delle molecole all'interno di una trappola.

Il MOT 1-D realizzato da Baum e dai suoi colleghi compensa questo effetto indesiderato. I ricercatori forniscono così uno dei primi esempi concreti di come le molecole possono essere manipolate diffondendo diverse centinaia di fotoni.

"Il nostro lavoro non è solo una prova del principio che le tecniche precedentemente sviluppate possono essere applicate nei sistemi poliatomici, ma mostriamo anche di aver trovato una classe di molecole dove, nonostante la loro complessità interna, possiamo disperdere più di 2, 000 fotoni, " Disse Baum. "Inoltre, sappiamo in quali stati vibrazionali cadono le molecole, così possiamo recuperarli".

Semplicemente usando qualche laser in più, Baum e i suoi colleghi prevedono che il loro metodo dovrebbe consentire la dispersione di oltre 10, 000 fotoni. Ciò significa che in esperimenti futuri il loro approccio potrebbe anche essere potenzialmente ampliato per coprire tutte e tre le dimensioni.

Circa un decennio fa, i fisici consideravano impraticabile il raffreddamento laser diretto delle molecole poliatomiche, se non del tutto irrealizzabile. Il recente studio condotto da questo team di ricercatori si aggiunge al pool di prove che suggeriscono che il raffreddamento di queste complesse molecole è in effetti possibile.

"Speriamo che la nostra dimostrazione e i progressi a venire forniscano una nuova piattaforma sperimentale per esplorare la frontiera della fisica e della chimica quantistica, " Baum ha detto. "Il nostro obiettivo immediato è estendere il nostro risultato a un MOT 3-D di CaOH che servirà come punto di partenza per futuri esperimenti. Si può immaginare di caricare singole molecole in pinzette ottiche e di costruire nuove piattaforme per la simulazione o il calcolo quantistico".

Nei loro studi successivi, Baum e i suoi colleghi vorrebbero anche indagare sui processi collisionali fondamentali, in altre parole, cosa succede a livello quantistico quando due molecole si scontrano, che è ancora poco compreso. Gli studi di collisione potrebbero in definitiva aprire la strada allo sviluppo di tecniche di raffreddamento evaporativo, che potrebbe consentire un raffreddamento più estremo e potenzialmente la creazione di un gas quantico degenerato di molecole poliatomiche.

"Di recente abbiamo anche completato alcuni lavori che estendono il raffreddamento laser a specie ancora più grandi di monometossido di calcio (CaOCH ₃ ), che mostra che le nostre tecniche possono essere generalizzate a molecole con rilevanza chimica o anche biologica, " ha detto Baum.

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