Polscy naukowcy z Uniwersytetu Warszawskiego, wspólnie z partnerami z Austrii i Czech, opracowali metodę, która pozwala wykryć pochłonięcie pojedynczego fotonu przez pojedynczy jon molekularny. Wyniki ukazały się w „Nature”.
Prof. Michał Tomza i dr Marcin Gronowski z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego pracowali nad częścią teoretyczną badania. Eksperyment przeprowadziła grupa prof. Philippa Schindlera z Uniwersytetu w Innsbrucku, a w pracach uczestniczył także badacz z Uniwersytetu Palackiego w Ołomuńcu. Polską część badań finansowało NCN.
Zwykle absorpcję światła bada się, mierząc, ile go ubywa po przejściu przez próbkę. Przy pojedynczym jonie molekularnym to nie działa – sygnał jest zbyt słaby. Dlatego zamiast rejestrować sam foton, zespół mierzył niewielki odrzut (pęd), jaki jon otrzymuje przy jego pochłonięciu. Odrzut ten jest jednak zbyt mały, by zmierzyć go bezpośrednio. Aby go uchwycić, badacze uwięzili obok siebie jon molekularny i jon atomowy wapnia (Ca+). Dzięki silnemu oddziaływaniu kulombowskiemu (czyli elektrostatycznemu odpychaniu się ładunków) ruch obu cząstek został ze sobą trwale połączony, tworząc wspólne drgania. Następnie układ wprawiono w szczególny, nieklasyczny stan kwantowy zwany stanem kota Schrödingera. Pochłonięcie fotonu przez jon molekularny wywołuje odrzut, który przesuwa ten stan, co drastycznie wzmacnia sygnał. Pozwala to na odczytanie zdarzenia poprzez precyzyjny pomiar sąsiedniego jonu wapnia za pomocą fluorescencji. Metodę wypróbowano na drganiu wiązania O-H w jonie CaOH+, pobudzanym ultrakrótkimi impulsami lasera w zakresie średniej podczerwieni.
Uzyskane wyniki to krok w stronę pomiarów, które nie niszczą badanej cząsteczki, i dokładniejszej kontroli stanów kwantowych złożonych cząsteczek wieloatomowych. W przyszłości może to być przydatne w precyzyjnej spektroskopii molekularnej i w rozwoju technologii kwantowych opartych na cząsteczkach.
Marcin Gronowski i Michał Tomza z Uniwersytetu Warszawskiego odpowiadali za kluczową część teoretyczną projektu. Wykonali zaawansowane obliczenia kwantowo-chemiczne struktury elektronowej jonu CaOH+. Ich obliczenia przewidziały częstość drgania wiązania tlen-wodór (O-H) na 3783 cm-1. Ta wartość pozwoliła zespołowi z Innsbrucku właściwie nastroić impulsy lasera i zinterpretować pomiar. Obliczenia zrealizowano przy użyciu polskiej infrastruktury superkomputerowej PLGrid w ACK Cyfronet AGH.
Obaj naukowcy są wielokrotnymi laureatami konkursów NCN. Michał Tomza w 2020 roku otrzymał Nagrodę NCN w naukach ścisłych i technicznych. To kolejna praca z jego udziałem w „Nature” – w 2021 roku zespół pod jego kierunkiem, razem z grupą prof. Tobiasa Schaetza z Uniwersytetu we Fryburgu jako pierwszy zaobserwował rezonanse Feshbacha między pojedynczym jonem a ultrazimnymi atomami.
O prowadzonych badaniach naukowiec opowiedział kilka miesięcy temu w cyklu #pokolenieNCN.
To druga publikacja przedstawicieli #pokolenieNCN, która ukazała się w „Nature” w tym miesiącu.
Zespół prof. Marcina Poręby z Politechniki Wrocławskiej we współpracy z amerykańską grupą badawczą firmy Genentech pod kierunkiem prof. Vishvy M. Dixita znalazł sposób na zatrzymanie rozpadu umierającej komórki.