Физики продемонстрировали увеличение времени жизни ультрахолодных молекул в процессах столкновения путем экранирования их взаимодействия с помощью микроволнового излучения. Они показали, что экранирование можно сменить антиэкранированием, меняя конфигурацию молекулярной системы и окружающих полей. Исследование опубликовано в Science.
Исследование молекул, охлажденных до очень низких температур, важно для развития квантовых симуляций, прецизионных измерений, ультрахолодной химии и многого другого. Для этого физикам нужно научиться охлаждать их, собирать и удерживать, а также защищать от разрушения. Последний фактор существенно ограничивает круг экспериментов и явлений, которые ученые могли бы исследовать в таких системах.
Главный канал распада ультрахолодных молекул — это их неупругие столкновения друг с другом. Чтобы их избежать, ученые применяют экранирование, то есть создание дополнительного отталкивания между молекулами на расстояниях, на которых начинаются неупругие процессы взаимодействия. На сегодняшний день уже реализовано экранирование атомов и молекул множеством различных методов. Например, ученые научились защищать ультрахолодные молекулы KRb друг от друга с помощью постоянных электрических полей. Несмотря на достигнутый прогресс, физики постоянно ищут новые режимы, которые бы позволили увеличить время жизни таких молекул.
Исследователи из Кореи и США при участии Тиджс Карман (Tijs Karman) из Кембриджского университета использовали микроволновое излучение, чтобы экранировать друг от друга две молекулы CaF, удерживаемых оптическими пинцетами. Они показали, что управлением параметрами внешний полей можно переключать молекулы между режимами экранирования и антиэкранирования, меняя их время жизни в 24 раза.
Идея такого экранирования основывается на понятии «одетых» состояний. Если двухуровневую систему облучать («одевать») резонансным переменным полем, то населенность ее состояний будет осциллировать с частотой Раби. Управляя параметрами поля, можно добиться того, что между молекулами, находящихся в «одетых» состояниях, возникнет сильное дальнодействующее диполь-дипольное взаимодействие, которое может быть как притягивающим, так и отталкивающим. Последнее зависит в том числе и от того, какие именно состояния «одеваются» полем.
Для реализации этого принципа авторы предварительно готовили две молекулы CaF, пойманные каждая в свою ловушку оптического пинцета, приложив магнитное поле величиной 27 гаусс. После чего физики на какое-то время сталкивали их в присутствии микроволнового поля, разносили в разные стороны и с помощью метода Λ-визуализации смотрели, распались они или нет. Таким образом, ученые смогли построить долю «выживших» молекул в зависимости от времени взаимодействия. Меняя конфигурацию «одетых» состояний, авторы могли влиять на это число, сравнивая его с числом «голых» молекул, которые не испытывали воздействия микроволнами.
Для экранирования молекул физики «одевали» пару их состояний, состоящую из основного |N=0,J=1/2,F=0,mf=0⟩ и возбужденного |N=1,J=1/2,F=1,mf=−1⟩. «Одевание» микроволновым полем приводило к осцилляциям Раби с частотой примерно 23 мегагерц. В такой конфигурации исследователи обнаружили, что характерное время жизни экранированных молекул увеличилось до 64 миллисекунд против 10,8 миллисекунд у «голых» молекул. Противоположный эффект — 2,7 миллисекунды, ученые получили, когда в качестве возбужденного состояния в паре выбрали состояние |N=1,J=1/2,F=1,mf=+1⟩ и несколько изменили конфигурацию полей. Такой эффект они назвали антиэкранированием.
Авторы также провели моделирование исследуемых процессов, и обнаружили совпадение с экспериментом. Удостоверившись в правильности теоретической модели, физики проверили гипотезу о влиянии на экранирование динамических штарковских сдвигов. Для этого они провели численные расчеты для различных магнитных полей и частот Раби и сравнили их с экспериментом.
В заключении авторы отмечают, что предложенная ими техника экранирования может быть применена к широкому классу полярных молекул, в том числе и многоатомных. Они также отметили, что экранирование не только уменьшает число неупругих взаимодействий, но и увеличивает число упругих, что может быть полезно при охлаждении атомных или молекулярных ансамблей.
Холодные атомы и молекулы регулярно помогают ученым узнать что-то новое. Мы уже рассказывали, как физики уточнили отношение масс протона и электрона с помощью холодных молекул и даже охладили антиводород, чтобы точно измерить частоты его переходов.
Комментарии