Фізикам вдалося на 50 мілісекунд впіймати в електростатичну пастку молекули фториду стронцію, знизивши їхню швидкість зі 190 метрів на секунду до нуля. Це вдалося завдяки уповільнювачу Штарка, який загальмував молекули у камері з системою кільцеподібних електродів, що створили періодичну біжучу хвилю довжиною 4,5 метра. Дослідження значно розширює види нейтральних молекул, з яких можна створювати повільні пучки, для вивчення зіткнень між ними та збільшення точності експериментів. Стаття опублікована у Physical Review Letters.
Jasmeet Jassal and Parul Aggarwal
Навіщо гальмувати молекули?
Спіймані окремо або хоча б уповільнені пучки двоатомних молекул потрібні фізикам для вивчення фундаментальної фізики. Так, наприклад, можна виміряти електричний дипольний момент електрона або знайти порушення парності, адже уповільненими вони набагато більш стабільні та легше піддаються вимірюванням. Однак більшість методів уповільнення та захоплення частинок засновані на лазерному охолодженні і тому підходять лише для молекул із певною енергетичною структурою.
І для важких молекул фізики вигадали метод, заснований на ефекті Штарка. З ним вдалося підвищити роздільну здатність спектроскопічних експериментів з пучками молекул, яка залежить від часу взаємодії між досліджуваними частинками та вимірювальним пристроєм. Також уповільнення Штарка допомогло вивчити поведінку молекулярного розсіювання та обчислити час життя коливально-збуджених гідроксильних радикалів (виявилося – це близько 59 мілісекунд). Втім, поки його застосували лише до семи молекулярних пучків, а найважчими були всього два — фторметан і кисень.
Через структуру енергетичних рівнів набагато важчих моногалогенідів фториду стронцію чи барію, які набагато більш цікаві для експериментів, фізикам потрібно знайти спосіб збільшити силу уповільнення. Цим і зайнялися дослідники колаборації NL−eEDM, яка прагне покращити вимірювання постійного електричного дипольного моменту електрона (eEDM) за допомогою холодних молекул.
Як зупинити молекули?
Уповільнення Штарка працює завдяки однойменному ефекту, коли у поміщених в електричне поле молекул і атомів відбувається зміщення енергетичних рівнів. Так частинка, потрапляючи у підготовлене для неї поле, втрачає свою кінетичну енергію та уповільнюється. Поле створюють за допомогою певним чином розміщених на шляху польоту частинки у камері електродів. Втім, як ми вже зазначили, важкі молекули потребують більшого впливу, а тому фізикам довелося зібрати рекордно довгий уповільнювач Штарка, яким пустили вже попередньо уповільнені молекули.
Так експериментальна установка складається з трьох основних частин. Молекули потрапляли в уповільнювач Штарка з кріогенного джерела газу. Він, порівняно з надзвуковими пучками, здатний виробляти молекули з порівняно більш високою інтенсивністю і значно меншою швидкістю — від 150 до 200 метрів на секунду. У ньому їх охолоджували у два етапи до чотирьох кельвінів. Камеру уповільнювача вчені сконструювали на основі біжучої хвилі, довжиною 4,5 метра — молекули мали пройти 3024 кільцевих електродів діаметром чотири міліметри. У режимі уповільнення частота синусоїдальної хвилі знижується, зменшуючи швидкість мінімумів електричного поля. Далі фізики виявляли молекули фториду стронцію за допомогою методу лазерно-індукованої флуоресценції, який полягає у їхньому збудженні до вищого енергетичного рівня шляхом поглинання лазерного світла з наступним спонтанним його випромінюванням. Приблизно в одному сантиметрі від останнього кільця сповільнювача, промінь діодного лазера діаметром 0,7 міліметра і потужністю 0,5 мілівата проходив перпендикулярно молекулярному променю, збуджуючи молекули на тому ж переході, який використовується для реєстрації поглинання. Так, вже у фотоелектронному помножувачі, вчені фіксували флуоресценцію молекул і так змогли оцінити їхнє уповільнення.
Схема експериментальної установки. P. Aggarwal et al. / Physical Review Letters, 2021
То як ловили молекули?
Саме комбінація інтенсивного повільного променя молекул від джерела та уповільнювач другого покоління дала змогу повністю зупинити їх. Кількість молекул фізики оцінювали за кожним зареєстрованим фотоном. Так у результаті в пастці виявилося від десяти до чотирьох тисяч молекул фториду стронцію, які повністю зупинилися зі швидкості 190 метрів за секунду приблизно на 50 мілісекунд у серії послідовних електричних ям всередині сповільнювача. І хоча молекули попередньо піддавалися лазерному охолодженню, метод, що застосовується тут, заснований тільки на уповільненні Штарка, а фторид стронцію побив попередній рекорд по важкості цього методу у три рази. Таким чином він дає можливість попрацювати в майбутньому з речовинами, для яких лазерне охолодження неможливе. Фізики повідомляють, що планують застосувати його до фториду барію, який є основним кандидатом на дослідження фізики за межами Стандартної моделі фізики елементарних частинок.
Але більшість експериментів з охолодження проводиться все ж з лазерами. Так, наприклад, йому нарешті піддалася антиматерія і фізикам вдалося вперше охолодити лазером антиводень. А от охолодження протона змішуванням з іншими частинками врешті вдалося провести без змішування, що також планують пристосувати до антиматерії.