Molecula stabil prinsă cu ajutorul luminii ultraviolete profunde, pentru prima dată
Pe 10 noiembrie 2025, cercetătorii de la Departamentul de Fizică Moleculară al Institutului Fritz Haber, parte a Societății Max Planck, au realizat un salt revoluționar în domeniul fizicii cuantice. Aceștia au reușit pentru prima dată să prindă și să răcească o moleculă stabilă, cu un ‘înveliș închis’, numită fluorură de aluminiu (AlF), utilizând lumina ultraviolete profundă. Această realizare îi oferă oamenilor de știință oportunități nemaivăzute în spectroscopie de precizie avansată și simulare cu molecule ultrarăcite.
În cadrul experimentelor, AlF a fost prins în trei niveluri cuantice de rotație diferite, un rezultat care nu s-a mai realizat până acum pentru molecule. Această capacitate deschide noi porți pentru studii detaliate și control al moleculelor în condiții extreme de temperatură, apropiindu-se de zero absolut.
Un pas în evoluția fizicii ultracold
Răcirea materiei la temperaturi extrem de scăzute, aproape de zero Kelvin (-273,15°C), acționează ca un microscop pentru comportamentele cuantice. Exemplele istorice de descoperiri fundamentale, precum superconductivitatea în mercur sau comportamentele anormale ale hidrogenului molecular, au stimulat dezvoltarea mecanicii cuantice. După invenția laserului, cercetătorii au realizat că interacțiunea dintre perticulele de lumină și materie poate fi sfruntată pentru a răci particulele. Astfel, răcirea cu laser s-a dovedit a fi o metodă puternică, atingând temperaturi de ordinul a una la o mie sau chiar o milionime de Kelvin.
Capcana magneto-optică – o tehnologie esențială
De aproape patru decenii, fizicienii pot pregăti atomi neutri ultracold în capcane magneto-optice, care utilizează raze laser și câmpuri magnetice pentru a confina particulele și a le răci la temperaturi extrem de scăzute. Această tehnică esențială a dus la realizări semnificative, inclusiv ceasuri atomice optice avansate și computere cuantice prototip. Deși s-au înregistrat progrese în răcirea și prinderea moleculelor, până acum doar câteva molecule reactive au putut fi introduse în capcane magneto-optice, majoritatea având electroni nepaired, complicând semnificativ procedura.
Provocările prinderii moleculelor chimic stabile
În studiu, echipa de cercetători prezintă un experiment care ar putea revoluționa fizica migrantă cu molecule ultrarăcite, demonstrând prima capcană magneto-optică pentru molecula ‘spin-singlet’, fluorura de aluminiu (AlF). Aceasta se remarcă printr-o legătură chimică extrem de puternică, făcând-o mai inertă comparativ cu alte molecule laser-răcite. Datoriă acestor proprietăți, AlF poate fi produs cu eficiență ridicată în laborator și este puțin probabil să fie pierdut în timpul experimentelor ultracold.
Cu toate acestea, întrebarea este: de ce abia acum s-a realizat acest lucru? Moleculele stabile necesită o cantitate semnificativă de energie pentru a fi despărțite și, în același timp, au diferențe energetice mari între stările lor electronice. Astfel, lungimile de undă ale laserului necesare pentru răcire sunt împinse către ultraviolet, complicând considerabil experimentele.
Inovații necesare în tehnologia laser
Cooling AlF a necesitat patru sisteme laser, fiecare având o lungime de undă de aproximativ 227,5 nm, fiind astfel cel mai scurt interval de lungime de undă utilizat vreodată pentru a prinde o moleculă. Acest proces a solicitat inovații în tehnologia laser și optică, colaborarea solidă dintre industrie și mediul academic fiind esențială.
O altă caracteristică notabilă a experimentului este că AlF poate fi răcită și prinsă în multiple niveluri cuantice de rotație. Echipa de cercetători a reușit să comute între trei niveluri de rotație diferite, prin ajustarea fină a lungimilor de undă utilizate, având încredere că niveluri cuantice mai înalte ar putea fi prinse cu surse moleculare diferite.
Un parcurs de succes în laborator
Atingerea acestui obiectiv a fost rezultatul a aproape opt ani de muncă intensă în laborator, incluzând studii detaliate despre proprietățile spectroscopice ale AlF, dezvoltarea tehnologiei UV profund pentru capcană și, în final, răcirea și prinderea magneto-optică. „Acesta a fost un efort de echipă uriaș, iar rezultatele noastre se datorează în mare măsură mediului fantastic de cercetare și resurselor din Departamentul de Fizică Moleculară”, a declarat Eduardo Padilla, student absolvent care a condus proiectul.
Aceste rezultate extind posibilitățile fizicii moleculare ultrarăcite, iar AlF răcită cu laser va permite noi măsurători de precizie și control cuantic al moleculelor. Un aspect deosebit de interesant al AlF este existența unei stări electronice ‘metastabile’ de lungă durată, deschizând ușile pentru temperaturi și mai scăzute în cercetările viitoare.
Mai multe informații pot fi găsite în publicația ‘Magneto-optical trapping of aluminum monofluoride’, în revista Physical Review Letters (2025).
