Голландські фізики повідомили про синтез ультрахолодних іонізованих двохатомних молекул при температурі всього в кілька мікрокельвінів. Для цього вони змішали іони іттербію і фешбахівські дімери літію в гібридній іон-нейтральній пастці. Автори показали, що флуоресценція іонів іттербію може крім іншого служити точним сенсором концентрації дімерів. Дослідження опубліковано в.
Розвиток кріогенної техніки і методів захоплення окремих атомів і молекул у пастки відкрили дорогу до безпрецедентного контролю взаємодій між ними. Ультрахолодна хімія, що утворилася таким чином, відповідає на питання про те, як саме відбуваються найпростіші хімічні взаємодії, наприклад, синтез або розпад.
Перспективними при цьому здаються іон-молекулярні взаємодії завдяки багатству процесів, що відбуваються при цьому, порівняно зі взаємодією окремих атомів. Наприклад, одним з продуктів таких реакцій можуть стати іонізовані молекули. Такі системи корисні для роботи з квантовою інформацією, прецизійної спектроскопії, а також для більшого розуміння процесів, що відбуваються при ультрахолодних реакціях. Однак існуючі на сьогодні методи синтезу таких молекул працюють при температурах близько одного кельвіна, в той час як характерні температури в інших ультрахолодних хімічних процесах вже досягли половини мікрокельвіна.
Хенрік Хірцлер (Henrik Hirzler) з Амстердамського університету зі своїми нідерландськими колегами повідомили про новий спосіб отримання іонізованих молекул, чия температура становить всього кілька мікрокельвін. В його основі лежить ультрахолодна хімічна реакція між іонами іттербію і фешбахівським дімером літію. Автори показали, що ця реакція також служить високоточним сенсором, що дозволяє визначити наявність молекул у суміші в дуже низьких концентраціях.
Коли два нейтральних атома знаходяться в безпосередній близькості, між ними виникають слабка взаємодія Ван-дер-Ваальса, обумовлена наявністю у них ненульових середніх дипольних моментів. Знак цієї взаємодії залежить від відстані: на досить великій дистанції атоми притягуються, а на малій - відштовхуються. Це можна описати за допомогою потенційної ями, в якій, згідно з квантовою механікою, може утворюватися крихкий пов'язаний стан, званий резонансом Фешбаха. При кімнатних температурах енергія кінетичного руху атомів занадто велика, щоб утворити такий резонанс, але при наднизьких температурах вони можуть утворити фешбахівський дімер. Саме з такими дімерами, як виявилося, може прореагувати іон іттербію.
Щоб переконатися в цьому автори готували іттербій-літієву суміш у гібридній іон-нейтральній пастці. Перед змішуванням іони 174Yb + були захоплені в пастку Пауля, а атоми 6Li - в оптичну-дипільну пастку. 2,2 104 атомів літію знаходилися там при температурі кілька мілікельвін і магнітних полях близьких до значення 832 гаусса, при якому резонанс Фешбаха стає особливо сильним. Магнітне поле фізики використовували для управління ймовірністю створення дімерів літію, чия щільність протягом усього експерименту не перевищувала десяти відсотків від щільності атомів літію.
Потім вчені змішували літій з іонами іттербію на півсекунди, злегка зміщуючи за допомогою п'єзоелементів дзеркала, що формують оптичну пастку, після чого допплерівськи охолоджували іони і стежили за інтенсивністю їх флуоресценції. Ця інтенсивність зменшувалася, порівняно з такою у відсутності змішування, що свідчило на користь освіти іонізованих молекул LiYb +.
Для перевірки цієї гіпотези фізики провели серію мас-спектрометричних вимірювань за допомогою додаткового радіочастотного поля. Принцип роботи іонної пастки заснований на тому, що в магнітному полі іони рухаються по кругових траєкторіях з циклотронною частотою, яка залежить від їх заряду і маси. Якщо частота додаткового поля збігається з циклотронною частотою іона, це призведе до резонансної передачі йому енергії і, як наслідок, вильоту його з пастки. Як показав експеримент, втрати іонів іттербію посилюються на частотах, що відповідають іонам з масами, рівними сумі мас літію та іттербію.
Нарешті, автори вивчили чутливість флуоресцентного методу. Вони вимірювали ймовірність відсутності світіння іонів іттербію в залежності концентрації дімерів, яка контролювалася магнітним полем. Ця ймовірність відчутно відрізнялася від нуля, навіть якщо концентрація дімерів становила 0,4 відсотка концентрації вільних атомів. Для умов експерименту це означало наявність у суміші всього 50 фешбахівських дімерів.
Ультрахолодні реакції між атомами і дімерами містять більше цікавої фізики, ніж реакції тільки між двома атомами. Нещодавно ми розповідали, як їх інтенсивністю керують за допомогою магнітного поля.