تازه ترین روش خنک سازی مولکول ها با لیزر
محققین از ساختار ویژه مونوکسید ایتریم برای خنک کردن گاز تا دمای بسیار پایین و دستیابی به بالاترین میزان چگالی استفاده کردند.
شکل ۱- مونوکسید ایتریم دارای ساختار الکترونیکی نامتعارفی است و برهم کنش بین الکترون- هسته اتم آن بسیار قوی است. این دو عامل سبب شده است که این مولکول برای سرمایش لیزری زیر حد داپلر مورد استفاده قرار گیرد.
خنک کردن مولکول ها تا رژیم کوانتومی (دماهایی که در آن حالت های کوانتومی حساس، از اثرات حرارتی تصادفی[۱] محافظت می شوند) کاربردهای زیادی در شیمی کوانتومی، فیزیک بس ذره ای و فیزیک محض دارد. به عنوان مثال، مولکول های قطبی به سبب داشتن تکانه دوقطبی الکتریکی، برهم کنش های قوی و قابل تنظیمی دارند و یک پلت فرم امیدوار کننده برای شبیه سازی کوانتومی ارائه می دهند. آنها همچنین به اثرات فیزیک انرژی بالا حساس هستند. میدان های بزرگ الکترومغناطیسی داخلی آنها فرضیات برهم کنش های الکترومغناطیسی را تقویت می کند که پیش بینی می شود بتواند عدم تقارن ماده و ضد ماده را حل کند. همچنین پیوندهای شیمیایی مولکول های قطبی، توانایی مطالعه شیمی کوانتومی کنترل شده را به دانشمندان می دهد. در شیمی کوانتومی کنترل شده حالت های کوانتومی کاملاً تعریف شده به شکل یک واکنش شیمیایی مشاهده می شوند.
در حال حاضر، تقریباً در تمام آزمایش های کوانتومی با اتم‌ها، دمای فراسرد مورد نیاز با استفاده از سرمایش لیزر حاصل می شود. این روش پراکندگی مکرر فوتون های لیزر از یک گاز اتمی را برای تأمین یک نیروی میرایی ویسکوز به کار می گیرد. این نیرو که بسیار شبیه اصطکاک است، در برابر حرکت اتم ها مقاومت کرده و گاز را خنک می کند. اما این کار را نمی توان به راحتی با مولکول ها انجام داد زیرا مولکول ها دارای ساختار داخلی هستند. بدان معنی که پراکندگی فوتون می تواند تنها باعث چرخش یا ارتعاش مولکول شود. به عبارت دیگر، انرژی به مولکول منتقل شده و سرمایش را متوقف می کند.
در دهه گذشته، چندین گروه (از جمله گروه یی[۲]) بر این چالش غلبه کرده و توانسته اند با سرمایش لیزری، مولکول های فلوراید استرانسیوم (SrF)، فلوراید کلسیم (CaF) و اکسید ایتریم (YO) را به دام بیاندازند. همگی این مولکول ها دارای ساختار الکترونیکی ویژه ای برای سرمایش لیزری هستند. این مولکول ها دارای الکترون ظرفیتی هستند که به نظر می رسد تنها به یک اتم فلزی مقید شده است. نتیجه این جایگذاری الکترون این است الکترون تا حد زیادی مستقل از حرکت مولکولی است و انتقال الکترونی که توسط لیزر برانگیخته می شود مدهای داخلی ناخواسته ایجاد نمی کند. بر خلاف اتم های فلزی در SrF و CaF، اتم Y در YO دارای اسپین هسته ای است، که حاصل برهم کنش الکترون- هسته ای قوی است. این برهم کنش مغناطیسی بین الکترون و هسته اتم که برهم کنش “تماسی فرمی” نام دارد، در مقایسه با SrF و CaF ساختار الکترونیکی نسبتاً متفاوتی ایجاد می کند و باعث تغییر خواص مغناطیسی کل مولکول می شود. یی و همکارانش از این خصوصیات مغناطیسی متفاوت برای طراحی یک روش سرمایش جدید استفاده کرده اند.
مولکول هایی که در برخورد با فوتون ها سرد شده اند، هنگامی که حالات برانگیختگی آنها به طور خود به خود واپاشیده می شود و فوتون های جذب شده در جهات تصادفی مجدداً منتشر می گردند، گرم می شوند. این فرآیند، حد پایینتری (به نام حد داپلر) در دمای قابل دستیابی، با استفاده از سرمایش ساده لیزری را ایجاد می کند. بر اساس اصل عدم قطعیت زمان- انرژی هایزنبرگ، حالت های ماناتری که بین این انتشار تصادفی خود به خودی ایجاد می شوند، نیازمند دریافت انرژی کمتر و بنابراین دمای پایین تر هستند. بنابراین روش های سرمایشی که زیر حد داپلر قرار دارند، متکی به حالت های کوانتومی همدوس ماناتر از حالت الکترونیکی برانگیخته ناپایدار، هستند. میدان های مغناطیسی می توانند توابع موج مولکول ها را تغییر داده و این همدوسی را از بین ببرند، یعنی تله های مغناطیسی نوری[۳] (MOTs) که از میدان های مغناطیسی برای محصور کردن و فشرده سازی مولکول ها استفاده می کنند، در دمای بالاتر مورد استفاده قرار می گیرند.
طرح گروه کلرادو[۴] نسبت به این میدان های مغناطیسی حساسیت کمتری دارد زیرا برهم کنش قوی الکترون هسته در YO باعث می شود که الکترون و هسته به گونه ای “جفت شوند” که تکانه مغناطیسی آنها از بین برود. این موضوع به محققین اجازه می دهد تا از MOT برای ترکیب دمای پایین با چگالی بالا استفاده کنند (شکل ۱). محققین با استفاده از این تکنیک و روش های زیر داپلر با خنک کردن CaF، تقریباً به دمای ۵ میکروکلوین که پیش از این نیز حاصل شده بود، دست یافتند. با این تفاوت که آنها به چگالی حدود ۴ برابر بیشتر رسیدند و به این دلیل گاز فراسرد YO نسبت به سایر گازهای مولکولی، به رژیم کوانتومی نزدیکتر است.
چنین مولکول های قطبی به دام افتاده با چگالی زیاد فضا- فاز، مرز مطالعه سیستم های کوانتومی با بر هم کنش قوی هستند، زیرا بر هم کنش دوقطبی- دوقطبی در گازهای مولکولی نسبت به گازهای اتمی قوی تر است. برای تحقق بسیاری از کاربردهای مهیجی که این خاصیت آنها را ممکن می سازد، محققین نیاز دارند که گازهای فراسرد را در دوقطبی یا انبرک نوری نگه دارند. بر خلاف MOT ها، این تله ها می توانند بدون تغییر حالت های داخلی مولکول ها، گازهای فراسرد را برای مدت طولانی کنترل کنند. اما به کارگیری این تله ها نیازمند دمای زیر داپلر و چگالی بالا است. بنابراین روش جدید تیم یی از این نظر بسیار مفید خواهد بود.
رسیدن به رکورد چگالی بالا به خودی خود قابل توجه است. اما انجام این کار با YO فرصت های بی نظیری را در فیزیک مولکولی ارائه می دهد. به عنوان مثال، محققین با استفاده از SrF و CaF فقط به مولکول هایی با یک پیوند فلوئور دست یافتند. اما YO به عنوان اولین اکسید فراسرد، یک پیوند دوگانه دارد که آن را به عنوان یک مولکول مناسب برای مطالعه واکنش های شیمیایی فراسرد تبدیل می کند. با اینکه ساختار YO این روش جدید را در مقایسه با سایر روش های سرمایش لیزری مولکول ها متفاوت ساخته است، اما این تنها مولکول مناسب برای این روش نیست. بسیاری از مولکول های قطبی دیگر شامل یک فلز سنگین با اسپین هسته ای مانند YO هستند که می توانند با استفاده از این روش جدید خنک شوند. به دلیل اینکه نمونه های سنگینتر بار بیشتر و بنابراین میدان الکترومغناطیسی داخلی قوی تری دارند، می توانند حتی در برابر بر هم کنش های هسته ای مانند نیروی ضعیف نیز حساستر باشند.
پیوست
حد داپلر:
در روش سرمایش داپلر از نوری که فرکانس آن اندکی کمتر از فرکانس لازم برای یک گذار الکترونی در اتم است استفاده می شود. به دلیل اینکه نور، فرکانسی کمتر از فرکانس گذار دارد، اتم ها در صورت حرکت به سوی چشمه نور، به دلیل اثر داپلر، تعداد بیشتری فوتون جذب می کنند. به همین دلیل، اگر از دو جهت مخالف به اتم نور تابانده شود اتم ها همیشه از باریکه لیزری که در جهت مخالف حرکت آن ها تابیده می شود، فوتون بیشتری جذب می کنند. در هر جذب، اتم مقداری تکانه برابر با تکانه فوتون جذب شده از دست می دهد. حال اگر اتمی که در حالت برانگیخته است، به صورت خود به خود یک فوتون گسیل کند، با همان مقدار تکانه و در جهتی تصادفی پس زده می شود. نتیجه این جذب و گسیل، کاهش سرعت اتم خواهد بود، البته اگر سرعت اولیه آن از سرعت حاصل از پس زده شدن بعد از پراکنده کردن فوتون کمتر نبوده باشد. اگر این فرآیند جذب و گسیل بارها تکرار شود، سرعت میانگین و در نتیجه انرژی جنبشی اتم کاهش خواهد یافت که همان سرد شدن اتم‌ها است. حد سرمایش داپلر کمترین دمای قابل دستیابی با این روش است.
Source: https://physics.aps.org/articles/v13/89
[۱] Random Thermal Effect
[۲] Ye
[۳] Magneto-Optical Traps
[۴] Colorado