Фізики провели хімічну реакцію між окремими атомами лужних металів

Американські фізики розробили спосіб отримання індивідуальних молекул з окремих атомів лужних металів. Для цього вчені запропонували використовувати лазерні пастки, за допомогою яких атоми натрію і цезію стикалися між собою з утворенням молекул NaCs в збудженому енергетичному стані. Надалі подібний метод може бути розширений і на інші атоми для отримання складних молекулярних кубітів для квантових обчислювальних систем, пишуть вчені в статті в.

Зазвичай хімічна реакція являє собою випадковий статистичний процес: у системі міститься багато молекул одного з реагентів, багато молекул - іншого, вони стикаються між собою випадковим чином, що призводить до утворення певної кількості потрібної речовини. Щоб відійти від ймовірнісної природи цього процесу, вчені зазвичай знижують енергію системи, проводячи реакції між окремими атомами у вироджених квантових системах при температурах, близьких до абсолютного нуля. Щоб домогтися максимального контролю над атомами під час хімічної реакції і простежити за тим, як при цьому змінюється їх енергетична структура, вчені взагалі пропонують проводити індивідуальні реакції між окремими атомами. Такий підхід дозволить отримувати необхідні молекулярні структури і точно керувати їх властивостями. Тим не менш, достатньо точних методів для проведення таких процесів на даний момент практично немає.

Група американських фізиків з Гарвардського університету під керівництвом Ні Кан-Куена (Kang-Kuen Ni) розробила прилад, який дозволяє контрольовано проводити індивідуальну хімічну реакцію між двома окремими атомами лужних металів. Для цього вчені запропонували використовувати систему з двох оптичних пасток, кожна з яких управляє окремим атомом. Наприклад, у тій системі, яка була представлена в роботі, автори використовували лазер з довжиною хвилі 700 нанометрів - для охолодження атома натрію, і лазер з довжиною хвилі 976 нанометрів - для охолодження атома цезію. При цьому перебування атомів у таких лазерних пастках можна підтвердити навіть за допомогою флуоресцентних оптичних методів.

Коли кожен з атомів захоплений своїм лазерним пінцетом, їх переміщують в загальну дипольну пастку, після чого атоми стикаються один з одним з потрібною швидкістю. При цьому, однак, далеко не завжди відбувається освіта молекули: після зіткнення залежно від його параметрів можливо чотири стани: коли обидва атоми розлітаються з області захоплення, коли в лазерній пастці залишається один з атомів (або цезію, або натрію) або коли обидва атоми опиняються в загальній пастці, утворюючи молекулярну структуру.

Ймовірність утворення молекули в результаті зіткнення атомів натрію і цезію склала 33 відсотки. За допомогою спектроскопічних методів вчені проаналізували енергетичні характеристики отриманої молекули, зокрема, структуру рівнів надтонкого спинового розщеплення. Виявилося, що в разі успішного зіткнення відбувається реакція фотоасоціації, при якій утворюється молекула NaCs в збудженому стані. Необхідна для цього потужність випромінювання склала три кіловати на кубічний сантиметр. Отримані енергетичні характеристики освіченої молекули та ймовірності її утворення були підтверджені за допомогою численних розрахунків з перших принципів з урахуванням спін-орбітальної взаємодії.

Дослідники відзначають, що запропонована ними технологія перевершує за ступенем контролю альтернативні підходи (скануюча тунельна мікроскопія) і використовувати її можна, в тому числі, для проведення реакцій за участю більшої кількості атомів. Отримані при цьому молекули можуть виявитися корисними, наприклад, в якості кубітів - елементів для передачі та зберігання інформації в квантових електронних пристроях.

Більш традиційні методи для здійснення операцій з окремими атомами - скануюча тунельна або атомно-силова мікроскопія. Наприклад, саме за допомогою атомно-силового мікроскопа фізикам вдалося виміряти сили, що виникають між різними атомами, і їх електроотрицательность.