Физики из коллаборации NL−eEDM смогли остановить и поймать в ловушки молекулы фторида стронция с помощью штарковского замедлителя на основе бегущей волны. Развитая ими техника позволит останавливать тяжелые нейтральные молекулы, которые невозможно поймать другими методами. Это может быть полезно для экспериментов, проверяющих фундаментальные физические законы. Исследование опубликовано в Physical Review Letters.

Тяжелые двухатомные молекулы интересуют ученых как квантовые системы, в которых можно проверять основы фундаментальной физики. К числу таких исследований относится поиск электрического дипольного момента электрона и нарушения четности. Спектры молекул — это, как правило, главный источник подобной информации, однако, для того чтобы точность эксперимента была высока, желательно, чтобы молекулы были пойманы в ловушки или хотя бы существенно замедлены.

В случае тяжелых нейтральных молекул таких условий сложно добиться традиционными методами, например, лазерным охлаждением, в силу их большой инерции и нулевого заряда. Поэтому физики придумали метод штарковского торможения, в основе которого лежит эффект возникновения поправок к энергетическим уровням атомов и молекул, помещенных в электрическое поле (эффект Штарка). В случае, если свободно распространяющаяся молекула влетает в наведенное поле, она приобретает штарковские поправки ценой кинетической энергии. Быстрое выключение поля приводит к рассеянию этой энергии, и, следовательно, к торможению. Разместив серию электродов на пути молекул, и включая, и выключая их в правильной последовательности, можно останавливать нейтральные молекулы.

Самые тяжелые молекулы, которые удавалось остановить таким методом, — это CH3F и O2. Вместе с тем, физиков интересует замедление молекул тяжелых щелочноземельных моногалогенидов, таких, как фториды стронция и бария (SrF и BaF). Их штарковское торможение требует гораздо более длинных замедлителей, которые, однако, не обладают достаточной стабильностью, поскольку для эффективного торможения переключение электродов в них должно быть очень хорошо согласовано со скоростью молекул.

Преодолеть эти трудности удалось Парул Аггарвал (Parul Aggarwal) с коллегами из коллаборации NL-eEDM, расположенной в Гронингенском университете. Они смогли с помощью штарковского подхода затормозить и удержать молекулы SrF в ловушке на 50 миллисекунд, побив, таким образом, рекорд по тяжести захвата нейтральной молекулы в три раза. Чтобы этого добиться, авторы использовали два существенных улучшения стандартной техники. Во-первых, вместо обычного штарковского замедлителя, в котором электроды включаются и выключаются согласно некоторой программе, они использовали замедлитель на основе бегущей волны. Во-вторых, ученые разработали иной тип источника молекулярного пучка, скорость частиц в котором лежит в диапазоне от 150 до 200 метров в секунду.

Для этого они облучали стронциевую мишень лазерными импульсами с длиной волны 532 нанометра, длительностью 5 наносекунд и энергией 4 миллиджоуля на импульс. Это приводило к абляции стронция в пространство камеры, где он, вступая в реакцию с газообразным гексафторидом серы, образовывал молекулы SrF. Затем тяжелые молекулы симпатически охлаждались неоновым газом в два этапа и вылетали из камеры в штарковский замедлитель бегущей волны. На расстоянии пяти миллиметров от выхода из камеры молекулы пересекали лазерный луч, который детектировал характеристики пучка по спектрам их поглощения. Другой луч ожидал молекулы на выходе из замедлителя вместе с системой регистрации лазерно-индуцированной флуоресценции.

Замедлитель бегущей волны представляет собой систему соосных колец-электродов длиной 4,5 метра. Напряжение на электродах имеет вид бегущей синусоидальной волны с переменной скоростью. Такая форма полей образует последовательность электростатических ловушек, которые ограничивают попавшие в них молекулы во всех трех направлениях.

В самом начале работы физики экспериментировали со скоростями бегущей волны и выяснили что при ее скорости, равной 190 метрам в секунду, доля молекул, увлекаемых волной, максимальна. Они выбрали эту скорость в качестве стартовой для процедуры торможения, в результате которого равномерно уменьшали ее до различных финальных значений. Изучая с помощью сигнала флуоресценции то, как распределение задержанных молекул зависит от финальной скорости, авторы выяснили, что при более сильном торможении число занятых ловушек, а также число частиц в них уменьшается. Они смогли оценить разброс скоростей заторможенных молекул, который составил 10±2 и 4±1 метр в секунду для финальных скоростей, равных 170 и 10 метров в секунду соответственно.

Наконец, физики попробовали полностью остановить молекулы. Для этого они доводили скорость бегущей волны до нуля, удерживали ловушки неподвижно в течение некоторого времени, а затем выталкивали молекулы из замедлителя для измерения сигнала на выходе. Оказалось, что таким способом можно удерживать частицы до 50 миллисекунд. В последнем случае занятыми молекулами оказываются лишь пять периодов волны. Средняя скорость молекул при этом составляет 4±1 метров в секунду, что соответствует температуре 60±20 милликельвин.

С помощью комбинированного анализа эффективности флуоресценции, а также эффективности захвата молекул в замедлителе, физики оценили их количество, которое составило около тысячи молекул на 16 ловушек. По этому параметру их ловушки оказались сопоставимы с первыми магнито-оптическими ловушками, использованными для захвата молекул SrF. И хотя молекулы SrF можно охлаждать и ловить с помощью лазера, развитый ими метод можно использовать для тех объектов, к которым указанные оптические методы не применимы. В частности, они планируют задерживать таким способом еще более тяжелые молекулы BaF, чтобы использовать их для проверки фундаментальных законов.

Чтобы быть холодным, ансамблю частиц не обязательно быть медленным, ведь в системе его центра масс средняя скорость частиц равна нулю. Пользуясь этим принципом, физики научились точно измерять спектральные свойства ионов, разогнанных до релятивистских скоростей.