Оптический пинцет из молекул CaOH. 
а: Усредненное изображение массива пинцетов CaOH, полученное путем визуализации молекул в течение 50 мс и усреднения по сотням итераций экспериментальной последовательности. Масштабная полоса, 5 мкм 
b: Гистограммы собранной флуоресценции для изображений, полученных пинцетом длительностью 15 мс, при средней вероятности загрузки 31% (оранжевый) и 13% (фиолетовый). На вставке гистограммы, нормированные (норма) по скорости загрузки, что указывает на то, что форма пика загруженной молекулы не меняется с вероятностью загрузки.
Фото: Природа (2024 г.). DOI: 10.1038/s41586-024-07199-1

Группе физиков из Гарвардского университета впервые удалось поймать отдельные многоатомные молекулы в массивы оптических пинцетов. В своей статье, опубликованной в журнале Nature, группа описывает, как они достигли своего подвига и возможные варианты его использования. Исследовательский брифинг также описывает их работу в том же номере журнала.

Охлаждение атомов до очень низких температур позволило контролировать их энергетическое состояние, что, в свою очередь, привело к развитию нескольких типов технологий, таких как атомные часы. Физики подозревают, что, проделав то же самое с молекулами, можно было бы получить аналогичные результаты, но это оказалось сложной задачей из-за дополнительных факторов, таких как вращение и вибрация.

Некоторый успех был достигнут в молекулах всего с двумя атомами, но с молекулами, имеющими больше атомов, возникли проблемы. В этой новой работе исследовательская группа нашла способ контролировать один тип молекул с тремя атомами — CaOH.

Чтобы контролировать отдельные молекулы, исследователи начали с изоляции нескольких из них в вакуумной камере, охлажденной до температуры чуть ниже 100 микрокельвинов, а затем с помощью оптических пинцетов (лазеров) разделили их, что позволило команде сосредоточить свои усилия на одной молекуле. Это позволило им манипулировать молекулами, переводя их в основное квантовое состояние.

Как только это было достигнуто, команда разработала способ изображения отдельной молекулы, который доказал, что данный пинцет был загружен без разрушения изучаемой молекулы. Для этого пришлось использовать дополнительные лазеры, хотя команда обнаружила, что им пришлось настроить их определенным образом, чтобы уменьшить помехи между взаимодействием лазерных лучей и структурой молекулы.

Затем исследователи привели молекулу в желаемое квантовое состояние, что позволило им контролировать ее вибрацию, вращение и ядерный спин. Затем они еще раз визуализировали молекулу, чтобы узнать больше о результате своих манипуляций.

Исследовательская группа предполагает, что их метод можно использовать с другими трехатомными молекулами, открывая новые возможности многоатомных молекулярных исследований.