Przełom w Fizyce Ultrazimnej: Naukowcy Uwięzili Obojętną Cząsteczkę AlF w Pułapce Magneto-Optycznej

Naukowcy z Wydziału Fizyki Molekularnej Instytutu Fritza Habera osiągnęli historyczny sukces, demonstrując pierwszą magneto-optyczną pułapkę dla stabilnej cząsteczki z zamkniętą powłoką elektronową – monofluorku glinu (AlF). Osiągnięcie to, będące rezultatem niemal ośmioletnich prac badawczych, otwiera nowe perspektywy dla rozwoju fizyki ultrazimnej oraz precyzyjnej spektroskopii kwantowej. Przez dziesięciolecia fizycy skutecznie wykorzystywali pułapki magneto-optyczne do przygotowywania ultrazimnych, obojętnych atomów, co przyczyniło się do powstania technologii takich jak atomowe zegary optyczne i prototypy komputerów kwantowych.

Uchwycenie cząsteczek było dotychczas znacznie trudniejsze ze względu na ich złożoną strukturę energetyczną. Do tej pory udawało się to jedynie w przypadku cząsteczek reaktywnych, posiadających niesparowane elektrony, czyli tak zwanych dubletów spinowych. Zespół Instytutu Fritza Habera (FHI) zdołał po raz pierwszy schłodzić i selektywnie uwięzić cząsteczkę typu spin-singlet, AlF, która jest chemicznie obojętna dzięki silnemu wiązaniu. Pokonanie tej bariery wymagało przezwyciężenia istotnych wyzwań technicznych, w tym konieczności zastosowania laserów pracujących w zakresie głębokiego ultrafioletu.

Aby schłodzić AlF, zespół wykorzystał cztery układy laserowe operujące w pobliżu 227,5 nm. Jest to najkrótsza dotąd zastosowana długość fali do pułapkowania jakiegokolwiek atomu lub cząsteczki. Osiągnięcie to, które zostało zaakceptowane do publikacji w periodyku Physical Review Letters i jest dostępne na serwerze preprintów arXiv, umożliwiło schłodzenie AlF i selektywne uwięzienie go w trzech różnych poziomach kwantowych rotacji. Sid Wright, kierujący zespołem FHI, wyraził nadzieję na możliwość pozyskiwania AlF ze zwartego i niedrogiego źródła par, wskazując, że wstępne testy sugerują odporność AlF na kolizje ze ściankami próżniowymi w temperaturze pokojowej.

Ten fundamentalny przełom, będący kulminacją lat badań nad spektroskopią i rozwojem technologii głębokiego UV, ma kluczowe znaczenie dla przyszłych zastosowań. Ultrazimne cząsteczki, takie jak AlF, są postrzegane jako potężna platforma do precyzyjnych pomiarów, które mogą testować fizykę wykraczającą poza Model Standardowy. Eksperci podkreślają, że polarne cząsteczki ultrazimne oferują unikalne możliwości w metrologii, pozwalając na poszukiwanie zmian stałych fundamentalnych, na przykład stosunku masy protonu do elektronu, z niespotykaną dotąd czułością. Obecność długo żyjącego metastabilnego stanu elektronicznego w AlF dodatkowo stwarza warunki do osiągnięcia jeszcze niższych temperatur, przybliżając wykorzystanie cząsteczek w symulacjach kwantowych i zaawansowanej spektroskopii.