Lazer ışığıyla hapsedilen metal hidrit molekülü, ultra soğuk hidrojene giden yolu açıyor

İki veya daha fazla kimyasal olarak bağlı atomdan oluşan bir maddenin birimleri olan molekülleri lazer ışığıyla kontrol etmek ve yakalamak, tek tek atomları yakalamaktan çok daha zordur. Bunun nedeni, moleküllerin daha karmaşık titreşim ve dönme dinamikleri sergileyerek soğumalarını ve yakalanmalarını zorlaştırmasıdır.

‘da yayınlanan bir makalede Fiziksel İnceleme MektuplarıColumbia Üniversitesi ve Indiana Üniversitesi Bloomington’daki araştırmacılar, bir kalsiyum atomu ve birbirine bağlı bir hidrojen atomundan oluşan bir molekül olan kalsiyum monohidrürün (CaH) etkili bir şekilde soğutulduğunu ve hapsedildiğini bildirdi.

Bu, parçacıkları soğutmak ve sınırlamak için dikkatlice düzenlenmiş lazer ışınlarını ve manyetik alanları kullanan bir cihaz olan üç boyutlu (3 boyutlu) bir manyeto-optik tuzak (MOT) kullanılarak başarıldı.

Makalenin ilk yazarı Jinyu Dai, CEİD’a şöyle konuştu: “Bu deneyin temel amacı, hassas spektroskopi için optik dipol tuzaklarında ultra soğuk hidrojen atomları üretmekti.”

“Doğanın en basit atomu olan hidrojen, temel fiziğin en hassas testlerinden bazılarını mümkün kılabilecek ideal bir platform sağlıyor. Çalışmamız, ultra soğuk metal hidrit moleküllerinin ayrışması yoluyla ultra soğuk hidrojen üretmenin temelini atıyor.”

Kalsiyum monohidrürün soğutulması ve yakalanması

Dai ve meslektaşları, deneylerinde ilk olarak bir CaH molekülü ışını ürettiler. Daha sonra, son on yılda aşırı soğuk moleküller üzerinde çalışan fizikçiler tarafından yaygın olarak kullanılan doğrudan lazer bazlı bir teknik kullanarak bu molekülleri soğuttular ve yavaşlattılar.

Dai, “CaH için özel olarak yeni bir kriyojenik tampon gaz ışını kaynağı geliştirdik ve CaH’nin benzersiz predissosiyatif kayıp kanalını bastırmak için lazer soğutma şemasını yeniden tasarladık” diye açıkladı.

“Modern atom, moleküler ve optik fiziğin temel taşı olan lazer soğutma tekniği, moleküllerin hem iç hem de dış serbestlik derecelerinin hassas kontrolünü sağlar. Hızlı bir CaH ışınını neredeyse durana kadar yavaşlatmamızı ve sonuçta molekülleri ultra soğuk sıcaklıklarda yakalamamızı sağlar.”

Bu deneysel yaklaşımları kullanarak araştırmacılar, bir MOT içerisinde yaklaşık 230 CaH molekülünü yakalamayı başardılar. Bu moleküller 1 milikelvinin (mK) altındaki sıcaklıklara ulaştı.

Ultra soğuk molekül araştırmalarını bilgilendirmek

Bu yeni çalışma, metal hidrit moleküllerini soğutmak ve yakalamak için MOT cihazlarının potansiyelini vurgulamaktadır. Gelecekte araştırmacıların kullandığı deneysel yöntemler diğer karmaşık moleküler türlere de uygulanabilir.

Dai, “Çalışmamız, metal hidritlerin, ek predissosiyatif kayıp kanallarına ve parlak moleküler ışınlar üretmedeki göreceli zorluklara rağmen, lazerle soğutulabileceğini ve ultra soğuk rejimde tutulabileceğini gösteriyor” dedi.

“Bu başarı, metal hidritleri ultra soğuk kuantum kimyası çalışmaları için yeni bir platform olarak kuruyor. Gelecek vaat eden yönlerden biri, molekülün, Standart Modelin yüksek hassasiyetli testleri ve temel sabitlerin ölçümleri için ideal bir sistem olarak hizmet edebilecek ultra soğuk atomik hidrojene doğru foto ayrışmasıdır.”

Araştırmacıların gösterisi yakında ultra soğuk moleküllerin ve hidrojen atomlarının yakalanmasını içeren temel fizik araştırmaları için yeni olasılıkların kapısını açabilir. Ek olarak, yeni kontrol edilebilir moleküler sistemlerin ve hassas ölçüm araçlarının geliştirilmesine de ışık tutabilir.

Dai, “Daha yüksek faz-uzay yoğunluklarına ulaşmak için molekülün daha fazla soğutulması ve yakalanması devam ediyor.” diye ekledi. “Heyecan verici bir sonraki adım, ultra soğuk kimyayı incelemek ve ultra soğuk hidrojen üretmek için ayrışma spektroskopisinin kullanılması olacaktır.”