Симуляция частичного распределения индивидуальных ионов азота (зеленый) в кулоновском кристалле из охлажденных лазером ионов Сa.
Спектроскопия, которую можно описать как взаимодействие вещества и света, представляет собой, пожалуй, наиболее важный метод изучения свойств молекул. Молекулы могут поглощать свет со строго определенными длинами волн, соответствующим различием двух энергетических состояний, переход между этими состояниями определяется как спектральный переход. Анализ длин волн и интенсивностей спектральных переходов позволяет получить информацию о строении вещества и некоторых других его свойствах.
Однако, в определенных случаях переход между двумя энергетическими состояниями не может произойти. Такой энергетический перенос называют «запрещенным». Тем не менее, этот запрет не является категоричным, а скорее маловероятным, то есть запрещенные переходы можно наблюдать, используя очень высокочувствительные методы регистрации спектров и измерения их параметров. Хотя спектральные линии запрещенных переходов слабы, их все же можно анализировать, причем этот анализ позволяет получить такую информацию о свойствах вещества, которую нельзя получить, изучая только спектральные линии, соответствующие разрешенным переходам.
В стратегическом плане работа группы Стефана Виллича (Stefan Willitsch) с факультета химии Университета Базеля посвящена методам высокоточных манипуляций с молекулами на квантовом уровне.
В новом исследовании сообщается о получении отдельных молекулярных ионов азота, находящихся в строго определенном энергетическом состоянии. На следующем этапе молекулярные ионы имплантировали в кулоновский кристалл (Кулоновским или плазменным кристаллом называют систему, в которой частицы под воздействием сильного электростатического поля выстраиваются в пространстве определённым образом.
Образуется упорядоченная структура, где частицы располагаются по узлам, как атомы в кристаллической решётке. Изменяя параметры разряда, можно влиять на форму облака частиц и даже наблюдать переход из кристаллического состояния в жидкость, а затем и в газ) – в данном случае материалом для кулоновского кристалла были ионы кальция.
Молекулярные ионы азота были охлаждены до температуры, составляющей всего несколько тысячных кельвина, благодаря чему большая часть колебательных процессов в молекуле затормозилась, и исследователи получили возможность изучения таких систем в течение длительного времени.
Все эти ухищрения помогли исследователям инициировать в молекулярном ионе азота запрещенные переходы и наблюдать картину этих переходов в инфракрасной области спектра.
Новый метод открывает широкие возможности для новых практических приложений, как, например, высокоточное измерение молекулярный свойств, разработка высокоточных часов, работа которых основана на трансформации отдельных молекул, а также способов квантовой обработки информации, основанных на превращениях молекул.
Помимо всего этого новый подход также позволяет проверить фундаментальные концепции, проводя спектральное исследование отдельных молекул, например – уточнить, действительно ли являются постоянными фундаментальные физические константы.
