Pesquisadores do Harvard-MIT Center for Ultracold Atoms demonstraram recentemente uma armadilha magneto-óptica unidimensional (1-D) (MOT) de mono-hidróxido de cálcio radical livre polar (CaOH). Esta técnica, descrito em um artigo publicado em Cartas de revisão física , foi realizado por resfriamento de CaOH usando técnicas de resfriamento a laser radiativo.

"As moléculas de frio são sistemas maravilhosamente complexos que podem ser ferramentas de medição poderosas em busca de uma nova física além do modelo padrão ou blocos de construção intrincados para construir novos sistemas quânticos e simular seu comportamento, "Louis Baum, um dos pesquisadores que realizou o estudo, disse a Phys.org. "Em baixas temperaturas, somos capazes de manipular totalmente até moléculas individuais, controlando como eles interagem com o meio ambiente e uns com os outros. "

Inspirado no potencial das moléculas de frio para desvendar novos mecanismos físicos, os pesquisadores começaram a investigar o que acontece quando as técnicas de resfriamento são aplicadas a outros compostos ou espécies químicas. Embora existam várias abordagens para a produção de moléculas de frio, Baum e seus colegas usaram resfriamento a laser direto, que provou ser particularmente eficaz na última década.

"À medida que a capacidade de controlar moléculas diatômicas cresceu, estávamos curiosos para estender as mesmas técnicas de resfriamento a laser aplicadas a moléculas simples para maiores, espécies quimicamente mais diversas, "Baum disse." Mesmo passando de uma molécula diatômica para uma molécula triatômica, como CaOH, aumenta substancialmente a complexidade do sistema, mas também traz novos e interessantes graus de liberdade. Nossa esperança é usar esses novos graus de liberdade para conduzir uma série de experimentos emocionantes. "

Em seus experimentos recentes, os pesquisadores foram capazes de demonstrar um MOT 1-D, observando pequenas mudanças na largura de um feixe molecular, que correspondia à temperatura transversal das moléculas que usavam. Um MOT funciona essencialmente espalhando fótons repetidamente. Cada um desses fótons espalhados, então, fornece um pequeno impulso para as moléculas confinadas na armadilha.

"Com uma combinação cuidadosa de campo magnético e luz laser polarizada, podemos controlar quais moléculas recebem esses chutes, "Baum explicou." O sistema fornece resfriamento e captura quando temos como alvo as moléculas mais rápidas e as moléculas próximas ao exterior da armadilha. Contudo, em moléculas, a mesma complexidade interna que os torna interessantes torna difícil espalhar um grande número de fótons. "

Espalhar um grande número de fótons através de moléculas complexas provou ser um grande desafio. Isso ocorre principalmente porque, à medida que as moléculas espalham um fóton, elas podem decair em um estado vibracional excitado, que não é abordado pela luz laser. Isso pode resultar na perda de moléculas dentro de uma armadilha.

O MOT 1-D realizado por Baum e seus colegas compensa esse efeito indesejável. Os pesquisadores fornecem, portanto, um dos primeiros exemplos concretos de como as moléculas podem ser manipuladas pelo espalhamento de várias centenas de fótons.

“Nosso trabalho não é apenas uma prova do princípio de que técnicas desenvolvidas anteriormente podem ser aplicadas em sistemas poliatômicos, mas também mostramos que encontramos uma classe de moléculas onde, apesar de sua complexidade interna, podemos espalhar mais de 2, 000 fótons, "Baum disse." Além disso, sabemos em quais estados vibracionais as moléculas caem, para que possamos recuperá-los. "

Apenas usando alguns lasers extras, Baum e seus colegas prevêem que seu método deve permitir a dispersão de mais de 10, 000 fótons. Isso significa que em experimentos futuros, sua abordagem também pode ser potencialmente ampliada para cobrir todas as três dimensões.

Cerca de uma década atrás, físicos consideraram o resfriamento direto a laser de moléculas poliatômicas impraticável, se não for totalmente inviável. O estudo recente realizado por esta equipe de pesquisadores aumenta o conjunto de evidências que sugerem que o resfriamento dessas moléculas complexas é de fato possível.

"Esperamos que nossa demonstração e os avanços que virão forneçam uma nova plataforma experimental para explorar a fronteira da física e da química quântica, "Baum disse." Nosso objetivo imediato é estender nosso resultado a um MOT 3-D de CaOH que servirá como ponto de partida para experimentos futuros. Pode-se imaginar o carregamento de moléculas individuais em pinças ópticas e a construção de novas plataformas para simulação ou computação quântica. "

Em seus próximos estudos, Baum e seus colegas também gostariam de investigar os processos colisionais fundamentais, em outras palavras, o que acontece em um nível quântico quando duas moléculas colidem, que ainda é mal compreendido. Estudos colisionais podem, em última análise, abrir caminho para o desenvolvimento de técnicas de resfriamento evaporativo, o que pode permitir um resfriamento mais extremo e, potencialmente, a criação de um gás quântico degenerado de moléculas poliatômicas.

"Também concluímos recentemente alguns trabalhos estendendo o resfriamento a laser para espécies ainda maiores de monometoxido de cálcio (CaOCH ₃ ), que mostra que nossas técnicas podem ser generalizadas para moléculas com relevância química ou mesmo biológica, "Baum disse.

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