Тяжелые нейтральные молекулы удалось заточить в электростатическое ловушку

Это удалось благодаря замедлителю Штарка, который затормозил молекулы в камере с системой кольцеобразных электродов, создав периодически бегущую волну длиной 4,5 метра. Исследования значительно расширяет разновидности нейтральных молекул, из которых можно создавать медленные пучки изучения столкновений между ними и увеличения точности экспериментов. Статья опубликована в Physical Review Letters. Пойманные отдельно пучки двухатомных молекул нужны физикам для изучения фундаментальной физики. Так, например, можно измерить электрический дипольный момент электрона или найти нарушения четности, ведь замедленные они гораздо более стабильны и легче поддаются измерениям. Однако большинство методов замедления и захвата частиц основаны на лазерном охлаждении и поэтому подходят только для молекул с определенной энергетической структурой.

Для тяжелых молекул физики придумали метод, основанный на эффекте Штарка. С ним удалось повысить разрешение спектроскопических экспериментов с пучками молекул, которая зависит от времени взаимодействия между исследуемыми частицами и измерительным устройством. Также замедление Штарка помогло изучить поведение молекулярного рассеивания и вычислить время жизни гидроксильных радикалов (оказалось — это около 59 миллисекунд). Впрочем, пока его применили только к семи молекулярным пучкам, а тяжелыми были всего два — фторметан и кислород.

Через структуру энергетических уровней намного тяжелее моногалогенодив фторида стронция или бария, которые гораздо более интересные для экспериментов, физикам нужно найти способ увеличить силу замедления. Этим и занялись исследователи коллаборации NL-eEDM, которая стремится улучшить измерения постоянного электрического дипольного момента электрона (eEDM) с помощью холодных молекул.

Замедление Штарка работает благодаря одноименному эффекта, когда в помещенных в электрическое поле молекулах и атомов происходит смещение энергетических уровней. Так частица, попадая в подготовленное для нее поле, теряет свою кинетическую энергию и замедляется. Поле создают с помощью определенным образом расположенных на пути полета частицы в камере электродов.

Экспериментальная установка состоит из трех основных частей. Молекулы попадали в замедлитель Штарка с криогенного источника газа. Он, по сравнению со сверхзвуковыми пучками, способен производить молекулы со сравнительно более высокой интенсивностью и значительно меньшей скоростью — от 150 до 200 метров в секунду. В нем их охлаждали в два этапа до четырех кельвинов. Камеру замедлителя ученые сконструировали на основе бегущей волны, длиной 4,5 метра — молекулы должны были пройти 3024 кольцевых электродов диаметром четыре миллиметра. В режиме замедления частота синусоидальной волны снижается, уменьшая скорость минимумов электрического поля. Далее физики проявляли молекулы фторида стронция с помощью метода лазерно-индуцированной флуоресценции, который заключается в их возбуждении высшему энергетического уровня путем поглощения лазерного света с последующим спонтанным его излучением. Примерно в одном сантиметре от последнего кольца замедлителя, луч диодного лазера диаметром 0,7 миллиметра и мощностью 0,5 милливатта проходил перпендикулярно молекулярному лучу, возбуждая молекулы на том же переходе, который используется для регистрации поглощения. Так, уже в фотоэлектронных умножителях, ученые фиксировали флуоресценцию молекул и так смогли оценить их замедления.

Именно комбинация интенсивного медленного луча молекул от источника и замедлителя второго поколения позволила полностью остановить их. Количество молекул физики оценивали по каждому зарегистрированному фотону. Так в итоге в ловушке оказалось от десяти до четырех тысяч молекул фторида стронция, которые полностью остановились по скорости 190 метров в секунду примерно на 50 миллисекунд в серии последовательных электрических ям внутри замедлителя. И хотя молекулы предварительно подвергались лазерному охлаждению, метод, применяемый здесь, основан только на замедлении Штарка, а фторид стронция побил предыдущий рекорд по тяжести этого метода в три раза. Таким образом он дает возможность поработать в будущем с веществами, для которых лазерное охлаждение невозможно. Физики сообщают, что планируют применить его к фториду бария, который является основным кандидатом на исследования физики за пределами Стандартной модели физики элементарных частиц.

Фото в анонсе: Jasmeet Jassal and Parul Aggarwal

Перевод материала nauka.ua