Физики восстановили инфракрасный спектр одиночного молекулярного иона, детектируя поглощение одного фотона через квантовую связь с соседним ионом

Fot. Adobe Stock Widmo podczerwieni pojedynczego jonu molekularnego odtworzono dzięki pochłonięciu przez nią jednego fotonu na podstawie fluorescencji sąsiedniego jonu wapnia. Stan kwantowy „kota Schrödingera” pozwolił przekształcić minimalną zmianę wspólnego ruchu obu jonów w mierzalny sygnał. Obliczenia wykonali fizycy z UW. Widmo absorpcyjne działa jak odcisk palca cząsteczki. Badacze oświetlają próbkę i sprawdzają, które długości fali zostały pochłonięte. Każda z nich odpowiada określonemu przejściu między stanami energii, na przykład drganiu jednego z wiązań chemicznych. Dzięki temu można rozpoznać cząsteczkę i uzyskać informacje o jej budowie. Zwykle w próbce znajdują się miliardy cząsteczek, dlatego pochłonięta część światła jest dostatecznie duża, aby dało się ją zmierzyć. W przypadku pojedynczego jonu sytuacja wygląda inaczej. Może on pochłonąć zaledwie jeden foton, a wywołany tym ubytek ginie w naturalnych wahaniach natężenia wiązki. Zespół kierowany przez prof. Philippa Schindlera z Uniwersytetu w Innsbrucku postanowił więc zmierzyć nie zniknięcie fotonu, lecz jego wpływ na cząsteczkę. Pochłonięty foton przekazuje jej nie tylko energię, ale również niewielki pęd. Powoduje to odrzut, którego wartość jest jednak zbyt mała, aby można go było zarejestrować bezpośrednio. W pułapce elektromagnetycznej umieszczono jon wodorotlenku wapnia CaOH+ oraz pojedynczy jon wapnia Ca+. Oddziaływanie elektrostatyczne łączyło ruch obu cząstek, które tworzyły układ nazywany dwujonowym kryształem. Odrzut uzyskany przez jon molekularny wpływał więc również na ruch sąsiedniego jonu atomowego. Aby uwidocznić tę niezwykle małą zmianę, wspólny ruch jonów przygotowano w stanie kwantowym nazywanym stanem kota Schrödingera. Układ zachowywał się wówczas jak połączenie dwóch różnych sposobów ruchu jednocześnie. Pochłonięcie fotonu nie zwiększało samego odrzutu, ale zmieniało wzajemną fazę obu części tego stanu. Dzięki temu ślad przekazanego pędu stawał się znacznie łatwiejszy do wykrycia. Naukowcy przenosili następnie informację o tej zmianie na wewnętrzny stan jonu wapnia. Mogli go odczytać za pomocą fluorescencji: po odpowiednim oświetleniu jon świecił albo pozostawał ciemny. Łatwy do kontrolowania jon atomowy pełnił zatem funkcję czujnika pozwalającego badać znacznie bardziej złożony jon molekularny. Metodę sprawdzono, badając drganie wiązania między tlenem a wodorem w CaOH+. Jon oświetlano ciągiem do 34 precyzyjnie zsynchronizowanych, ultrakrótkich impulsów średniej podczerwieni. Zmieniając częstotliwość światła i wielokrotnie powtarzając pomiar, naukowcy odtworzyli widmo absorpcyjne pojedynczego jonu. Środek zmierzonego pasma znalazł się blisko wartości przewidzianej teoretycznie. Podczas jednej sekwencji jon mógł pochłonąć najwyżej jeden foton. Obecne doświadczenie nie pozwalało jeszcze rozpoznawać każdego takiego zdarzenia w pojedynczym pomiarze. Badacze wyznaczali prawdopodobieństwo absorpcji na podstawie wielu powtórzeń. Planują teraz zwiększyć intensywność lasera i czułość odczytu, aby docelowo rejestrować pojedyncze pochłonięcie bez konieczności uśredniania wyników. Za kluczową część teoretyczną odpowiadali dr Marcin Gronowski i prof. Michał Tomza z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego. Przeprowadzili dokładne obliczenia kwantowo-chemiczne struktury elektronowej CaOH+ i przewidzieli częstość drgania wiązania O–H na 3783 cm(-1). Wynik pomógł zespołowi eksperymentalnemu dobrać zakres pracy lasera i zinterpretować otrzymane widmo. Obliczenia wykonano z wykorzystaniem infrastruktury PLGrid w ACK Cyfronet AGH, a polską część badań sfinansowało Narodowe Centrum Nauki. Wyniki opublikowano w czasopiśmie „Nature”. W doświadczeniu jon molekularny nie został rozbity ani chemicznie zmieniony, dzięki czemu mógł być badany ponownie. To istotna różnica wobec metod, w których absorpcję rozpoznaje się dopiero po rozpadzie lub reakcji cząsteczki. Nowa technika może umożliwić precyzyjną spektroskopię coraz bardziej złożonych jonów molekularnych, kontrolowanie ich stanów kwantowych oraz śledzenie szybkich procesów zachodzących wewnątrz cząsteczek. Pokazuje również, że pochłonięcie pojedynczego fotonu można wykryć nie poprzez bezpośrednią obserwację światła, lecz na podstawie bardzo subtelnej zmiany ruchu cząsteczki.(PAP) kmp/ bar/ fizyka cząstek fizyka