قریب به سه دهه است که «بخار‌های سرد شده‌ی اتمی»، تأثیر بسیار زیادی بر افزایش دقت در طیف‌سنجی، ساخت ساعت‌های اتمی و مطالعه چگالش‌های بوز-اینشتین داشته است. فرآیند سردسازیِ لیزری بر پایه گذار چرخشی می‌باشد که در آن میلیون‌ها فوتون بین دو ترازِ انرژیِ یک اتم جذب یا گسیل می شوند، به نحوی که تکانه بین اتم و فوتون‌ها رد و بدل می‌شود. با تنظیمِ دقیق لیزر روی یک تشدید اتمی، ضربهٔ تکانه نهایی حرکت اتم‌ها را آهسته می‌کند، در این صورت گرمای آنها گرفته می‌شود. طبیعی است سوأل کنیم آیا این فرآیند سردسازی لیزری برای مولکولها نیز قابل تعمیم است؟ دسترسی به آنسامبل‌های مولکول‌های فرا‌سرد شده (انرژی جنبشیِ میانگین متناظر با دمای کم‌تر از یک میلی کلوین به حالتی فرا‌سرد اشاره دارد) تولید گاز‌های کوانتومیِ جدید، اندازه‌کیری‌های بسیار دقیقِ ثابت‌های بنیادی، ساخت ساعت‌های مولکولیِ جدید و کاربردهای بسیاری از محاسبات کوانتومی تا شیمی کوانتومی را فراهم می‌کند.
پیچیده‌گیِ ساختار داخلی مولکول‌های سرد موجب می‌شود تا این مولکولها ویژگی‌های جالبی داشته باشند. این در حالی است که مولکول‌های سرد از لحاظ پدیده‌شناختی فواید بیشتری از اتمهای در اصطلاح «سرد» دارند. به خاطر این موضوع نمی‌توانیم از فرآیندِ سرد سازیِ اتمی برای مولکولها استفاده کنیم. دلیل این است که در مولکولها انتخابِ دو ترازِ انرژیِ جدا دشوار است. وقتی مولکولها برانگیخته می‌شوند، اغلب به یک حالتِ برانگیختهٔ ارتعاشی و چرخشی واپاشی می‌کنند. با این فرآیند، مولکولها دیگر نمی‌توانند با میدانِ لیزرِ فرودی بر‌هم‌کنش کنند. ایسام مانای و همکارانش در آزمایشگاه آیم کوتون، در مجله فیزیک ریویو لِتِر از تلاش فراوانشان برای سرد کردن مولکولها به کمک لیزرها (دمایی در حدود ۳۰۰ درجه میلی کلوین) جهتِ رساندن آنها به حالت پایه ارتعاشی، چرخشی و الکترونی می‌نویسند .
از اواخر دههٔ ۱۹۹۰ باور به این موضوع که سرد سازیِ مولکولها به وسیلهٔ لیزرها عملی نمی‌باشد، موجب شد تا اکثر گروه‌ها، روی روشهایی دیگر از قبیل استفاده از کرایوگرافی و کاهش انرژی جنبشی مولکولها در میدان‌های الکتریکی از طریقِ اثر اشتارک، تمرکز کنند. اگرچه این روش‌ها اغلب مؤثر هستند اما اجازه دسترسی به حالاتِ فرا سرد با دمایی زیر میلی کلوین را نمی‌دهند. اما در سال ۱۹۹۷ هنگامی که گروهی در اورسای یک نتیجهٔ شگفت‌انگیز ارائه کردند، سرد سازیِ ملکول‌ها با استفاده از لیزرها مورد توجه قرار گرفت. آنها تأکید کردند به جای آنکه مولکولها را مستقیماً سرد کنیم، مولکول‌های فرا سرد شده می‌توانند به وسیلهٔ تکنیکِ به اصطلاح «انباشتگیِ فوتونی» از اتمهای سرد شدهٔ قبلی بدست آیند (منظور انباشتگیِ فوتونی بدست آمده از لیزر است). با این تکنیک گروه نشان داد که دیمِرهای۱ مولکولیِ Cs2 به آسانی در دمایی در حدود ۳۰۰ میکرو کلوین به وسیلهٔ گیر افتادگیِ نوری-مغناطیسی بدست می‌آیند . در کم‌تر از چندین ماه مولکول‌های فرا سردِ Rb2 و K2 بدست آمدند . با این که این نتایج تحسین برانگیز بود اما گفتنی است که چنین مولکول‌هایی از نظر جنبشی در اصطلاح کاملاً «سرد» هستند اما از نظر درونی در اصطلاح «گرم» هستند. این مولکولها لزوماً در حالت پایه الکترونی نمی‌باشند. مهم‌تر از این، آنها اکثراً در حالات برانگیختهٔ چرخشی (عدد کوانتومی j) و ارتعاشی (عدد کوانتومی n) هستند. به زبان ساده تلاش برای بدست آوردنِ مولکول‌هایی که هم از لحاظِ جنبشی و هم حالاتِ درونی سرد باشند، بدون نتیجه باقی ماند.
چندین روش برای حل این مسئله پیشنهاد شد. محققان راه‌های مختلفِ انباشتگیِ فوتونی را برای انتقال مولکولها از حالاتِ چرخشی-ارتعاشیِ برانگیخته به حالت پایه (اعداد کوانتومیn و j صفر باشد) بررسی کردند. سِیگ باریکه‌ای از فوتون‌ها را بر مولکول‌های RbCs تاباند، سپس بعضی از مولکولها را به کمک گسیل القایی به حالت پایهٔ ارتعاشی برد . طی آزمایشی انجام شده در دانشگاه کولورادو در بولدر، از فرآیندِ سردسازیِ اتم‌ها به روش مغناطیسی برای مولکولها استفاده کردند. سپس مولکولها را توسط یک فرآیندِ همدوس رامان (یک سیستمِ لیزری با موج دندان اره‌ای) به حالت پایه رساندند. با این حال استفاده از چنین روشهایی پر دردسر می‌باشد، از طرفی می‌توان گفت که نمونه مولکول‌های سرد بدست آمده از این روش کیفیت لازم را ندارند.
برای ساده‌تر شدنِ فرآیندِ سردسازیِ حالت‌های چرخشی و ارتعاشی، محققان از ایدهٔ آلبرت کاستلِر استفاده کردند . در سال ۱۹۵۰ کاستلِر اولین کسی بود که ایدهٔ سردسازی را به وسیلهٔ دمشِ اپتیکی مطرح کرد، روشی که او در اصطلاح «پرتو افکنیِ سرمایشی» نام گذاری کرد. کاستلر پیشنهاد کرد که دمشِ اپتیکی در درون ساختار فوق ریزِ یک سیستم اتمیِ، می‌تواند این سیستم را به پایین‌ترین حالت انرژی خود ببرد. طبق ایده کاستلِر، اتمهای حالتِ بالاتر می‌توانند برانگیخته شوند و سپس به حالتی پایه واپاشی کنند. این حالت پایه را در اصطلاح «تاریک» می‌نامند، به این معنی که در یک فرآیندِ برانگیختگیِ اپتیکی، اتم‌هایی که در تراز تاریک هستند برانگیخته نخواهند شد. انرژی اتمهای برانگیخته به شکل نور گسیل می‌شود. ایده کاستلِر از اصول پایه‌ایِ سردسازی است که در آن اتم‌ها در برخورد با شش باریکه لیزری به اصطلاح «کُند» می‌شوند. این فرآیند یکی از پر کاربرد‌ترین روش‌های سردسازی می‌باشد. حال سوأل این است که چه طور با اصولی مبتنی بر دمشِ اپتیکی می‌توان مولکولها را با درجه آزادی‌های چرخشی و ارتعاشی سرد کنیم؟
در سال ۲۰۰۸ گروه اورسای اولین گام را با حل بخش ارتعاشیِ مسئله برداشت. روش آنها مبتنی بر طیفِ گسترده‌ای از پالس‌های لیزریِ کوتاه بود. آنها با حذفِ پالس‌های دارای انرژی بالا، قطاری از پالس‌های لیزریِ ۱۰۰ فِمتو-ثانیه‌ای تشکیل دادند. این کار تضمین می‌کند، پالس‌ها نمی‌توانند حالت ارتعاشی ۰=n را برانگیخته کنند، در حالی که آنها همهٔ حالاتِ ارتعاشیِ ۰≠n را از یک حالتِ پایه الکترونی به حالت دیگر، برانگیخته می‌کنند. زمانی که گسیل خودبه‌خودی رخ دهد، کسری از جمعیت اتم‌ها به تراز n =۰ واپاشی می‌کند، بنابراین بعد از چندین بار دمش، جمعیت اتم‌ها در آنجا افزایش می‌یابد. در این حالت نمونهٔ ما از لحاظ ارتعاشی سرد خواهد شد (شکل را ببینید). در آزمایشگاه این فرآیند به شکل بسیار شگفت انگیزی انجام شده است. حدود ۶۵ درصد اتمهای ۱۰ تراز پایینِ حالت‌های ارتعاشی، ظرف مدت ده میکرو ثانیه به تراز پایین آمده و سرد می‌شوند.
طبق مطالب گفته شده هنوز حل بخش چرخشی مسئله به عنوان یک چالش مطرح است. آزمایش‌های سردسازی واکیم که بر اساس دمش اپتیکی می‌باشد نیز نشان داد، درجه آزادیِ ارتعاشی و چرخشی ملکول‌ها از هم مستقل نمی‌باشد. وقتی ملکول‌ها از یک حالتِ الکترونیِ برانگیخته واپاشی می‌کنند لزوماً به حالات چرخشیِ اولیه بر‌نمی‌گردند. یعنی مولکولها با حالاتی چرخشی، به ترازهایی با اعدادکوانتومی دورانی بالاتر گذار می‌کنند. به عبارت دیگر، در حین سردسازیِ ارتعاشی، مقداری گرم‌شدگیِ چرخشی خواهیم داشت. درک این نکتهٔ مهم، کلیدِ حل مسئله برای سردسازیِ هم زمان چرخشی و ارتعاشی می‌باشد.
گروه اورسای مشاهده کردند، سردسازیِ چرخشی-ارتعاشی با استفاده از لیزر ضربه‌ای امکان پذیر نمی‌باشد. سردسازیِ ارتعاشی به وسیلهٔ شکافتگی‌های بزرگِ سطوح انرژی ارتعاشی ممکن می‌باشد. این کار اجازه می‌دهد پالسی از لیزر تعدادی از ترازهای ارتعاشی را برانگیخته کند در حالی که تراز تاریکِ ۰= n ایجاد شود. در مقابل اختلافِ سطوح انرژیِ چرخشی نسبت به هم کم می‌باشد، به ویژه برای مولکول‌های دو اتمی با اتمهای سنگین، مثل Cs2 این مطلب مشهود است. استفاده از پالسِ دمشیِ کوتاه برای ساختِ حالت پایهٔ ارتعاشی-چرخشی ۰= n و j=۰ غیر ممکن است. برای رفع این مشکل، از یک لیزر دیودی‌ِ موج-پیوسته به عنوانِ لیزر دمشیِ کمکی استفاده می‌کنیم. از آن جایی که ترازهای چرخشی گسسته و متناسب با j(j+1) هستند، فرکانسِ لیزر به طور رفت و برگشتی مولکول‌های ده ترازِ پایینِ چرخشی (به ترتیب از j=۱ تا j=۱۰) را برمی‌انگیزد. ترکیبی از برانگیختگی و گسیلِ خودبه‌خودیِ لیزر، منجر به وارونیِ جمعیت از ترازهای چرخشی بالاتر به سمت تراز j=۰ می‌شود. این وارونی جمعیت به صورتِ پلکانی و رفت و برگشتی اتفاق می‌افتد. با استفاده از ترکیبِ دمش ارتعاشی با سردسازیِ چرخشی در کم‌تر از ۱۰۰ میکروثانیه ۴۰ درصد از مولکول‌های سرد شده به تراز پایهٔ مطلق (۰= n و j=۰) منتقل می‌شوند.
نکتهٔ قابل توجه این جاست، مانای و همکارانش به فرآیندی که تصور می‌شد برای سردسازی مولکولها غیر ممکن می‌باشد، دست یافتند. با این وجود روش سرد سازیِ یک آنسامبلِ بزرگ و چگال هنوز حل نشده باقی مانده است. حال اگر بخواهیم روش گروه تحقیقاتی اورسای را به سیستم‌های مولکولی پیچیده از قبیل مولکول‌های قطبی تعمیم دهیم، به چالش بزرگی بر می‌خوریم. دسترسی به مولکول‌های سرد شدهٔ چرخشی-ارتعاشی، ممکن است کاربردهایی در پیش‌بینی نظریه های ماورای استاندارد مدل داشته باشد :گشتاور دوقطبی الکتریکیِ غیر صفر الکترون (EDM). تصور می‌شود اگر اندازه‌گیریِ دقیق دوقطبی‌های الکتریکی (تحت شرایطِ مولکول‌های فرا سرد در حالت پایهٔ ارتعاشی-چرخشی) انجام گیرد، EDM از علائم طیف مولکولی بدست می‌آید.
۱- مولکولی متشکل از دو مولکولِ یکسان با ساختاری ساده‌تر، دیمر نامیده می‌شود.
psi.ir
پیچیده‌گیِ ساختار داخلی مولکول‌های سرد موجب می‌شود تا این مولکولها ویژگی‌های جالبی داشته باشند. این در حالی است که مولکول‌های سرد از لحاظ پدیده‌شناختی فواید بیشتری از اتمهای در اصطلاح «سرد» دارند. به خاطر این موضوع نمی‌توانیم از فرآیندِ سرد سازیِ اتمی برای مولکولها استفاده کنیم. دلیل این است که در مولکولها انتخابِ دو ترازِ انرژیِ جدا دشوار است. وقتی مولکولها برانگیخته می‌شوند، اغلب به یک حالتِ برانگیختهٔ ارتعاشی و چرخشی واپاشی می‌کنند. با این فرآیند، مولکولها دیگر نمی‌توانند با میدانِ لیزرِ فرودی بر‌هم‌کنش کنند. ایسام مانای و همکارانش در آزمایشگاه آیم کوتون، در مجله فیزیک ریویو لِتِر از تلاش فراوانشان برای سرد کردن مولکولها به کمک لیزرها (دمایی در حدود ۳۰۰ درجه میلی کلوین) جهتِ رساندن آنها به حالت پایه ارتعاشی، چرخشی و الکترونی می‌نویسند .
از اواخر دههٔ ۱۹۹۰ باور به این موضوع که سرد سازیِ مولکولها به وسیلهٔ لیزرها عملی نمی‌باشد، موجب شد تا اکثر گروه‌ها، روی روشهایی دیگر از قبیل استفاده از کرایوگرافی و کاهش انرژی جنبشی مولکولها در میدان‌های الکتریکی از طریقِ اثر اشتارک، تمرکز کنند. اگرچه این روش‌ها اغلب مؤثر هستند اما اجازه دسترسی به حالاتِ فرا سرد با دمایی زیر میلی کلوین را نمی‌دهند. اما در سال ۱۹۹۷ هنگامی که گروهی در اورسای یک نتیجهٔ شگفت‌انگیز ارائه کردند، سرد سازیِ ملکول‌ها با استفاده از لیزرها مورد توجه قرار گرفت. آنها تأکید کردند به جای آنکه مولکولها را مستقیماً سرد کنیم، مولکول‌های فرا سرد شده می‌توانند به وسیلهٔ تکنیکِ به اصطلاح «انباشتگیِ فوتونی» از اتمهای سرد شدهٔ قبلی بدست آیند (منظور انباشتگیِ فوتونی بدست آمده از لیزر است). با این تکنیک گروه نشان داد که دیمِرهای۱ مولکولیِ Cs2 به آسانی در دمایی در حدود ۳۰۰ میکرو کلوین به وسیلهٔ گیر افتادگیِ نوری-مغناطیسی بدست می‌آیند . در کم‌تر از چندین ماه مولکول‌های فرا سردِ Rb2 و K2 بدست آمدند . با این که این نتایج تحسین برانگیز بود اما گفتنی است که چنین مولکول‌هایی از نظر جنبشی در اصطلاح کاملاً «سرد» هستند اما از نظر درونی در اصطلاح «گرم» هستند. این مولکولها لزوماً در حالت پایه الکترونی نمی‌باشند. مهم‌تر از این، آنها اکثراً در حالات برانگیختهٔ چرخشی (عدد کوانتومی j) و ارتعاشی (عدد کوانتومی n) هستند. به زبان ساده تلاش برای بدست آوردنِ مولکول‌هایی که هم از لحاظِ جنبشی و هم حالاتِ درونی سرد باشند، بدون نتیجه باقی ماند.
چندین روش برای حل این مسئله پیشنهاد شد. محققان راه‌های مختلفِ انباشتگیِ فوتونی را برای انتقال مولکولها از حالاتِ چرخشی-ارتعاشیِ برانگیخته به حالت پایه (اعداد کوانتومیn و j صفر باشد) بررسی کردند. سِیگ باریکه‌ای از فوتون‌ها را بر مولکول‌های RbCs تاباند، سپس بعضی از مولکولها را به کمک گسیل القایی به حالت پایهٔ ارتعاشی برد . طی آزمایشی انجام شده در دانشگاه کولورادو در بولدر، از فرآیندِ سردسازیِ اتم‌ها به روش مغناطیسی برای مولکولها استفاده کردند. سپس مولکولها را توسط یک فرآیندِ همدوس رامان (یک سیستمِ لیزری با موج دندان اره‌ای) به حالت پایه رساندند. با این حال استفاده از چنین روشهایی پر دردسر می‌باشد، از طرفی می‌توان گفت که نمونه مولکول‌های سرد بدست آمده از این روش کیفیت لازم را ندارند.
برای ساده‌تر شدنِ فرآیندِ سردسازیِ حالت‌های چرخشی و ارتعاشی، محققان از ایدهٔ آلبرت کاستلِر استفاده کردند . در سال ۱۹۵۰ کاستلِر اولین کسی بود که ایدهٔ سردسازی را به وسیلهٔ دمشِ اپتیکی مطرح کرد، روشی که او در اصطلاح «پرتو افکنیِ سرمایشی» نام گذاری کرد. کاستلر پیشنهاد کرد که دمشِ اپتیکی در درون ساختار فوق ریزِ یک سیستم اتمیِ، می‌تواند این سیستم را به پایین‌ترین حالت انرژی خود ببرد. طبق ایده کاستلِر، اتمهای حالتِ بالاتر می‌توانند برانگیخته شوند و سپس به حالتی پایه واپاشی کنند. این حالت پایه را در اصطلاح «تاریک» می‌نامند، به این معنی که در یک فرآیندِ برانگیختگیِ اپتیکی، اتم‌هایی که در تراز تاریک هستند برانگیخته نخواهند شد. انرژی اتمهای برانگیخته به شکل نور گسیل می‌شود. ایده کاستلِر از اصول پایه‌ایِ سردسازی است که در آن اتم‌ها در برخورد با شش باریکه لیزری به اصطلاح «کُند» می‌شوند. این فرآیند یکی از پر کاربرد‌ترین روش‌های سردسازی می‌باشد. حال سوأل این است که چه طور با اصولی مبتنی بر دمشِ اپتیکی می‌توان مولکولها را با درجه آزادی‌های چرخشی و ارتعاشی سرد کنیم؟
در سال ۲۰۰۸ گروه اورسای اولین گام را با حل بخش ارتعاشیِ مسئله برداشت. روش آنها مبتنی بر طیفِ گسترده‌ای از پالس‌های لیزریِ کوتاه بود. آنها با حذفِ پالس‌های دارای انرژی بالا، قطاری از پالس‌های لیزریِ ۱۰۰ فِمتو-ثانیه‌ای تشکیل دادند. این کار تضمین می‌کند، پالس‌ها نمی‌توانند حالت ارتعاشی ۰=n را برانگیخته کنند، در حالی که آنها همهٔ حالاتِ ارتعاشیِ ۰≠n را از یک حالتِ پایه الکترونی به حالت دیگر، برانگیخته می‌کنند. زمانی که گسیل خودبه‌خودی رخ دهد، کسری از جمعیت اتم‌ها به تراز n =۰ واپاشی می‌کند، بنابراین بعد از چندین بار دمش، جمعیت اتم‌ها در آنجا افزایش می‌یابد. در این حالت نمونهٔ ما از لحاظ ارتعاشی سرد خواهد شد (شکل را ببینید). در آزمایشگاه این فرآیند به شکل بسیار شگفت انگیزی انجام شده است. حدود ۶۵ درصد اتمهای ۱۰ تراز پایینِ حالت‌های ارتعاشی، ظرف مدت ده میکرو ثانیه به تراز پایین آمده و سرد می‌شوند.
گروه اورسای مشاهده کردند، سردسازیِ چرخشی-ارتعاشی با استفاده از لیزر ضربه‌ای امکان پذیر نمی‌باشد. سردسازیِ ارتعاشی به وسیلهٔ شکافتگی‌های بزرگِ سطوح انرژی ارتعاشی ممکن می‌باشد. این کار اجازه می‌دهد پالسی از لیزر تعدادی از ترازهای ارتعاشی را برانگیخته کند در حالی که تراز تاریکِ ۰= n ایجاد شود. در مقابل اختلافِ سطوح انرژیِ چرخشی نسبت به هم کم می‌باشد، به ویژه برای مولکول‌های دو اتمی با اتمهای سنگین، مثل Cs2 این مطلب مشهود است. استفاده از پالسِ دمشیِ کوتاه برای ساختِ حالت پایهٔ ارتعاشی-چرخشی ۰= n و j=۰ غیر ممکن است. برای رفع این مشکل، از یک لیزر دیودی‌ِ موج-پیوسته به عنوانِ لیزر دمشیِ کمکی استفاده می‌کنیم. از آن جایی که ترازهای چرخشی گسسته و متناسب با j(j+1) هستند، فرکانسِ لیزر به طور رفت و برگشتی مولکول‌های ده ترازِ پایینِ چرخشی (به ترتیب از j=۱ تا j=۱۰) را برمی‌انگیزد. ترکیبی از برانگیختگی و گسیلِ خودبه‌خودیِ لیزر، منجر به وارونیِ جمعیت از ترازهای چرخشی بالاتر به سمت تراز j=۰ می‌شود. این وارونی جمعیت به صورتِ پلکانی و رفت و برگشتی اتفاق می‌افتد. با استفاده از ترکیبِ دمش ارتعاشی با سردسازیِ چرخشی در کم‌تر از ۱۰۰ میکروثانیه ۴۰ درصد از مولکول‌های سرد شده به تراز پایهٔ مطلق (۰= n و j=۰) منتقل می‌شوند.
نکتهٔ قابل توجه این جاست، مانای و همکارانش به فرآیندی که تصور می‌شد برای سردسازی مولکولها غیر ممکن می‌باشد، دست یافتند. با این وجود روش سرد سازیِ یک آنسامبلِ بزرگ و چگال هنوز حل نشده باقی مانده است. حال اگر بخواهیم روش گروه تحقیقاتی اورسای را به سیستم‌های مولکولی پیچیده از قبیل مولکول‌های قطبی تعمیم دهیم، به چالش بزرگی بر می‌خوریم. دسترسی به مولکول‌های سرد شدهٔ چرخشی-ارتعاشی، ممکن است کاربردهایی در پیش‌بینی نظریه های ماورای استاندارد مدل داشته باشد :گشتاور دوقطبی الکتریکیِ غیر صفر الکترون (EDM). تصور می‌شود اگر اندازه‌گیریِ دقیق دوقطبی‌های الکتریکی (تحت شرایطِ مولکول‌های فرا سرد در حالت پایهٔ ارتعاشی-چرخشی) انجام گیرد، EDM از علائم طیف مولکولی بدست می‌آید.
۱- مولکولی متشکل از دو مولکولِ یکسان با ساختاری ساده‌تر، دیمر نامیده می‌شود.
psi.ir