Fritz Haber Enstitüsü Moleküler Fizik Bölümü’nden araştırmacılar, kararlı bir “kapalı kabuk” molekülünün ilk manyeto-optik tuzağını gösterdi: alüminyum monoflorür (AlF). AlF’yi lazerlerle soğutmayı ve seçici olarak üç farklı dönme kuantum seviyesinde yakalamayı başardılar; bu da ultra soğuk fizikte yeni bir çığır açtı.
Deneyleri, AlF ile gelişmiş hassas spektroskopi ve kuantum simülasyonunun kapısını açıyor. Çalışma, yayımlanmak üzere kabul edildi Fiziksel İnceleme Mektupları ve şu anda şu adreste mevcuttur: arXiv ön baskı sunucusu.
Maddeyi mutlak sıfıra (0 K, -273,15°C) yakın sıcaklıklara kadar soğutmak, kuantum mekaniksel davranış için bir mikroskop görevi görerek, normalde bulanık olan fiziği keskin bir odağa getirir. Klasik tarihsel örnekler arasında 1911’de 4 K’ye yakın soğutulan cıva metalindeki süperiletkenliğin keşfi ve “orto” ve “para” dönüş durumları nedeniyle moleküler hidrojendeki anormal termal davranış yer alır. Bu fenomenler zamanın klasik fizik teorilerini şaşırttı ve hem kuantum mekaniğinin evrimini hem de daha düşük sıcaklıklara ulaşma çabalarını yönlendirdi.
Lazerin icadından sonra fizikçiler, maddenin ışıkla etkileşimi yoluyla soğuma çevrimlerinin gerçekleştirilebileceğini fark ettiler. Tek bir ışık parçacığının (“foton”) etkisi çok küçüktür, ancak bir döngüde binlerce kez toplandığında, lazer soğutma son derece güçlü hale gelir: ulaşılan nihai sıcaklıklar, sıfır Kelvin’in (10-3—10-6 K). Buna genellikle ultra soğuk rejim denir.
Manyeto-optik yakalama
Neredeyse 40 yıldır “manyeto-optik tuzaklarda” ultra soğuk nötr atomlar hazırlamak mümkün. Burada, birden fazla yakalayıcı lazer ışını, doğru seçilmiş bir manyetik alanla birleşerek parçacıkları hapseder ve onları mutlak sıfır sıcaklığının yaklaşık binde biri kadar bir sıcaklığa kadar soğutur. Bu temel teknik, örneğin günümüzün optik atom saatlerine, prototip atom tabanlı kuantum bilgisayarlarına ve simülatörlerine ve maddenin yeni evrelerinin gözlemlenmesine yol açtı.
10 yıldan biraz daha uzun bir süre önce araştırmacılar, mümkün olan en basit kimyasal bileşik olan ancak halihazırda bir atomdan çok daha karmaşık bir enerji yapısına sahip olan iki atomlu bir molekülü lazerle soğutmayı ve hapsetmeyi başardılar. Molekülleri aşırı soğuk rejime getirmek için güçlü motivasyonlar olsa da, bu karmaşıklık önemli bir zorluk teşkil ediyor. Şimdiye kadar, manyeto-optik tuzaklara yalnızca eşleşmemiş elektronlara sahip (genellikle “spin-doublet” türler olarak adlandırılan) bir avuç reaktif molekül yüklenmişti.
Kimyasal olarak kararlı molekülleri yakalamanın zorluğu
Moleküler Fizik Bölümü’nden araştırma ekibi, mevcut çalışmalarında ultra soğuk moleküllerle fizikte devrim yaratabilecek deneyler sunuyor: Bir “spin-tekli” molekülün, alüminyum monoflorürün (AlF) ilk manyeto-optik tuzağını gösteriyorlar. AlF, son derece güçlü bir kimyasal bağa sahiptir ve bu, diğer özelliklerle birlikte, diğer tüm lazerle soğutulmuş moleküllerle karşılaştırıldığında onu kimyasal olarak inert hale getirir. Özellikleri sayesinde laboratuvarda yüksek verimlilikle üretilmesi daha kolaydır ve ultra soğuk deneylerde kimyasal reaksiyonlar yoluyla kaybolma olasılığı düşüktür.
Peki bu çığır açıcı adım neden şimdi atılıyor? Parçalanmak için çok fazla enerjiye ihtiyaç duyan moleküllerin elektronik halleri arasında çok büyük enerji boşlukları olma eğilimindedir. Sonuç olarak, soğutma için gereken lazer dalga boyları ultraviyole ışının daha da ilerisine doğru itilir ve deneysel zorluklar önemli ölçüde artar.
AlF’nin soğutulması, her biri 227,5 nm’ye yakın dalga boyuna sahip dört lazer sistemi gerektiriyordu. Bu, spektrumun “derin ultraviyole” kısmındadır ve şu ana kadar herhangi bir atomu veya molekülü yakalamak için kullanılan en kısa dalga boyudur. AlF’yi tuzağa düşürmek, lazer teknolojisi ve optikte güçlü endüstri-akademik işbirliğinin önemli olduğu yeni yenilikleri gerektirdi.
Elektron konfigürasyonu önemlidir
AlF’yi kuantum bilimi için bu kadar umut verici kılan yalnızca kimyasal kararlılığı değildir. Deneyin bir başka benzersiz yönü de AlF’nin lazerle soğutulabilmesi ve birden fazla dönme kuantum seviyesinde tutulabilmesidir. FHI ekibi, kullanılan lazer dalga boylarını basitçe ince ayarlayarak tuzaktaki üç farklı dönme seviyesi arasında geçiş yapabildi ve halihazırda kullanımda olanlardan farklı moleküler kaynaklarla daha yüksek dönme seviyelerinin yakalanabileceğini bekledi.
Bu özellik, AlF’yi bugüne kadar üretilen diğer lazerle soğutulan moleküllerden ayırıyor: Bu moleküller için yalnızca bir dönme seviyesi soğutulmuş ve hapsedilmiştir ve farklı dönme seviyelerine uzatılması çok daha zordur.
AlF projesine 2020 yılında katılan ve şu anda FHI ekibini yöneten Sid Wright, “Bizim hayalimiz AlF’yi alkali atomlar için kullanılana benzer kompakt, ucuz bir buhar kaynağından yakalamak olacaktır” diyor. “İlk deneylerde, AlF’nin oda sıcaklığındaki vakum duvarlarıyla çarpışmalara, hatta termalleşmeye bile dayanabildiğini gördük ki bu oldukça umut verici.”
Laboratuvarda uzun bir yolculuk umut verici sonuçlar veriyor
Bu dönüm noktasına ulaşmak için laboratuvarda neredeyse sekiz yıl süren yoğun bir çalışma gerekti: ilk önce AlF’nin spektroskopik özelliklerinin detaylı incelenmesi, ardından tuzak için derin UV teknolojisinin geliştirilmesi ve test edilmesi ve son olarak lazer yavaşlatma ve manyeto-optik yakalamanın kendisi. Projenin baş yüksek lisans öğrencisi Eduardo Padilla, “Bu çok büyük bir ekip çalışmasıydı ve sonuçlarımız çeşitli açılardan muhteşem araştırma ortamına, teknik desteğe ve Moleküler Fizik Bölümündeki kaynaklara dayanıyor” diyor.
Son sonuçlar ultra soğuk moleküler fiziğin olanaklarını genişletiyor ve lazerle soğutulan AlF muhtemelen yeni hassas ölçümlere ve moleküllerin kuantum kontrolüne olanak sağlayacak. AlF’nin özellikle ilginç bir yönü, elektron dönüşlerinin birleşerek “spin üçlüsü” olarak adlandırılan uzun ömürlü “yarı kararlı” bir elektronik durumun varlığıdır. Yarı kararlı duruma temel durumdan başka bir ultraviyole geçişle ulaşılabilir ve bu daha da soğuk sıcaklıkların kapısını açar.
