Американские физики разработали способ получения индивидуальных молекул из отдельных атомов щелочных металлов. Для этого ученые предложили использовать лазерные ловушки, с помощью которых атомы натрия и цезия сталкивались между собой с образованием молекул NaCs в возбужденном энергетическом состоянии. В дальнейшем подобный метод может быть расширен и на другие атомы для получения сложных молекулярных кубитов для квантовых вычислительных систем, пишут ученые в статье в Science.

Обычно химическая реакция представляет собой случайный статистический процесс: в системе содержится много молекул одного из реагентов, много молекул — другого, они сталкиваются между собой случайным образом, что приводит к образованию определенного количества нужного вещества. Чтобы отойти от вероятностной природы этого процесса, ученые обычно понижают энергию системы, проводя реакции между отдельными атомами в вырожденных квантовых системах при температурах, близких к абсолютному нулю. Чтобы добиться максимального контроля над атомами во время химической реакции и проследить за тем, как при этом меняется их энергетическая структура, ученые вообще предлагают проводить индивидуальные реакции между отдельными атомами. Такой подход позволит получать необходимые молекулярные структуры и точно управлять их свойствами. Тем не менее, достаточно точных методов для проведения таких процессов на данный момент практически нет.

Группа американских физиков из Гарвардского университета под руководством Ни Кан-Куэна (Kang-Kuen Ni) разработала прибор, который позволяет контролируемо проводить индивидуальную химическую реакцию между двумя отдельными атомами щелочных металлов. Для этого ученые предложили использовать систему из двух оптических ловушек, каждая из которых управляет отдельным атомом. Например, в той системе, которая была представлена в работе, авторы использовали лазер с длиной волны 700 нанометров — для охлаждения атома натрия, и лазер с длиной волны 976 нанометров — для охлаждения атома цезия. При этом нахождение атомов в таких лазерных ловушках можно подтвердить даже с помощью флуоресцентных оптических методов.

Когда каждый из атомов захвачен своим лазерным пинцетом, их перемещают в общую дипольную ловушку, после чего атомы сталкиваются друг с другом с нужной скоростью. При этом, однако, далеко не всегда происходит образование молекулы: после столкновения в зависимости от его параметров возможно четыре состояния: когда оба атома разлетаются из области захвата, когда в лазерной ловушке остается один из атомов (или цезия, или натрия) или когда оба атома оказываются в общей ловушке, образуя молекулярную структуру.

Схема работы устройства для реакции между атомами натрия и цезия с помощью лазерных пинцетов. На фотографиях снизу представлены изображения цезиевой (сверху) и натриевой (снизу) ловушек, полученных в один момент времени в четырех различных конфигурациях системы: без атомов, только с атомом натрия, только с атомом цезия и с двумя атомами одновременно. L. R. Liu et al./ Science, 2018

Вероятность образования молекулы в результате столкновения атомов натрия и цезия составила 33 процента. С помощью спектроскопических методов ученые проанализировали энергетические характеристики полученной молекулы, в частности, структуру уровней сверхтонкого спинового расщепления. Оказалось, что в случае успешного столкновения происходит реакция фотоассоциации, при которой образуется молекула NaCs в возбужденном состоянии. Необходимая для этого мощность излучения составила три киловатта на кубический сантиметр. Полученные энергетические характеристики образованной молекулы и вероятности ее образования были подтверждены с помощью численных расчетов из первых принципов с учетом спин-орбитального взаимодействия.

Исследователи отмечают, что предложенная ими технология превосходит по степени контроля альтернативные подходы (сканирующая туннельная микроскопия) и использовать ее можно, в том числе, для проведения реакций с участием большего количества атомов. Полученные при этом молекулы могут оказаться полезными, например, в качестве кубитов — элементов для передачи и хранения информации в квантовых электронных устройствах.

Более традиционные методы для совершения операций с отдельными атомами — сканирующая туннельная или атомно-силовая микроскопия. Например, именно с помощью атомно-силового микроскопа физикам удалось измерить силы, возникающие между различными атомами, и их электроотрицательность.

Автор: Александр Дубов