Учёные впервые сделали из атомов молекулу

Группа американских физиков впервые соединила два отдельных атома в молекулу в полностью контролируемой реакции, осуществленной с помощью лазера. 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.

Чтобы заставить вещества вступать друг с другом в химические реакции, реагенты смешивают; отдельные атомы и молекулы, сближаясь, разрывают старые и (или) образуют новые химические связи. Реакция в смеси проходит благодаря множеству случайностей. Даже если это происходит в лаборатории, в строго определенных условиях, ученые не контролируют взаимодействие отдельных атомов и молекул.

В новом эксперименте специалисты создали связь между двумя атомами, манипулируя ими с помощью лазерного (оптического) пинцета — инструмента, который позволяет с точностью до нескольких нанометров перемещать очень маленькие объекты, в том числе индивидуальные атомы, с помощью быстрых серий лазерных импульсов.

Сначала атомы щелочных металлов, цезия и натрия, охладили до температуры ниже одной десятитысячной градуса, а затем начали толкать их лазерными лучами навстречу друг другу до тех пор, пока лучи не наслоились один на другой. Пульс третьего лазера сообщил обоим атомам энергию, необходимую для образования химической связи; в результате образовалась молекула NaCs.

Такие контролируемые реакции на отдельных атомах и молекулах в будущем позволят ученым изучить физические процессы, ведущие к образованию межатомных связей, а также понять поведение изолированных молекул. Кроме того, с помощью лазерных пинцетов можно будет создавать молекулы с заданными квантовыми свойствами, полагает руководитель исследовательской группы, химик из Гарварда Ни Кан-Куэн (Kang-Kuen Ni). Такие молекулы найдут применение в квантовых компьютерах, где их можно использовать в качестве кубитов, поясняют авторы эксперимента.

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.

Ранее российские и французские физики применили лазерный пинцет в манипуляциях с кольцевыми токами в сверхпроводнике: тогда ученые заставили токи (вихри Абрикосова) сложиться в буквы.