Bẫy Quang Từ Quang Học Đầu Tiên Đối Với Phân Tử Nhôm Monofluorua Ổn Định: Mở Ra Kỷ Nguyên Mới Trong Vật Lý Siêu Lạnh

Các nhà nghiên cứu tại Khoa Vật lý Phân tử thuộc Viện Fritz Haber đã tạo nên một dấu mốc quan trọng trong vật lý siêu lạnh: lần đầu tiên thực hiện thành công bẫy quang từ quang học (MOT) đối với phân tử vỏ kín bền vững, nhôm monofluorua (AlF). Thành tựu này được công bố trên máy chủ bản thảo arXiv và dự kiến đăng trên tạp chí Physical Review Letters, đánh dấu sự chuyển dịch về nhận thức, cho phép làm lạnh và giữ chọn lọc các phân tử AlF trong ba mức lượng tử quay khác nhau.

Việc làm lạnh vật chất đến gần không độ tuyệt đối là chìa khóa để soi rọi hành vi cơ học lượng tử, từng dẫn đến những phát kiến như tính siêu dẫn. Trong gần bốn thập kỷ, các nguyên tử trung hòa siêu lạnh đã được chuẩn bị trong các bẫy quang từ quang học, tạo nền tảng cho các công nghệ như đồng hồ nguyên tử quang học và các nguyên mẫu máy tính lượng tử. Tuy nhiên, việc giữ các phân tử luôn là một thách thức lớn do cấu trúc năng lượng phức tạp của chúng. Trước đây, chỉ những phân tử phản ứng có các electron không ghép đôi (loài spin-doublet) mới có thể được nạp vào các bẫy này.

Nhóm nghiên cứu FHI đã phá vỡ rào cản này bằng cách chứng minh bẫy đầu tiên cho một phân tử spin-singlet, AlF, vốn trơ về mặt hóa học nhờ liên kết hóa học mạnh mẽ của nó. Việc đạt được thành tựu này bị trì hoãn vì các phân tử cần năng lượng cao để phá vỡ thường đòi hỏi bước sóng laser đi sâu vào vùng tử ngoại. Để làm lạnh AlF, cần có bốn hệ thống laser hoạt động gần 227.5 nm, bước sóng ngắn nhất từng được sử dụng để bẫy bất kỳ nguyên tử hay phân tử nào cho đến nay, đòi hỏi những đổi mới đáng kể trong công nghệ laser và quang học.

Điều độc đáo là AlF có thể được làm lạnh bằng laser và giữ trong nhiều mức lượng tử quay, với đội ngũ có thể chuyển đổi giữa ba mức bằng cách điều chỉnh bước sóng laser. Sid Wright, người đứng đầu nhóm FHI, bày tỏ mong muốn có thể bẫy AlF từ một nguồn hơi nhỏ gọn, giá cả phải chăng, đồng thời ghi nhận các thí nghiệm ban đầu cho thấy AlF sống sót sau các va chạm với thành chân không ở nhiệt độ phòng. Cột mốc này là kết quả của gần tám năm làm việc, bao gồm các nghiên cứu quang phổ và phát triển công nghệ tia cực tím sâu.

Việc làm lạnh laser các phân tử AlF được kỳ vọng sẽ mở ra các phép đo độ chính xác mới và khả năng kiểm soát lượng tử đối với phân tử. Sự phát triển này đưa vật lý siêu lạnh tiến lên một tầm cao mới, mở ra những con đường mới cho quang phổ học chính xác và mô phỏng lượng tử. Sự kiểm soát tinh vi đối với các phân tử siêu lạnh, vốn có các bậc tự do vi mô không có ở khí nguyên tử, hứa hẹn cách mạng hóa hóa học vật lý và vật lý ít hạt, cho phép nghiên cứu các hiện tượng vật lý mới và các phép đo chính xác có thể kiểm tra tính nhất quán của các hằng số cơ bản trong vũ trụ.