Bir moleküler saatin hassasiyeti 100 kat artarak araştırmacıların onu bir terahertz frekans standardı ve yeni fizik araştırmaları için bir platform olarak kullanmalarını sağladı.
Moleküller bükülebilir, titreşebilir ve dönebilir. Bu serbestlik derecelerinin her biriyle ilişkili, genellikle terahertz bölgesine düşen aralıklarla kuantize edilmiş enerji seviyelerinden oluşan bir merdiven vardır. Merdivenin küçük basamakları, molekülleri hem iç hem de dış alanlar için inanılmaz derecede hassas sensörler haline getirir. Ancak bu hassasiyet, işlevsel bir sonda oluşturmak için gereken iki ana süreci (soğutma ve tuzaklama) daha zor hale getiriyor. Columbia Üniversitesi’nden Tanya Zelevinsky, işbirlikçilerinin yardımıyla 2019’da diyatomik stronsiyumdaki titreşimsel geçişi 1012 de bir oranında ölçmeyi başardı.
Deney şimdi dört yıldır geliştiriliyor ve ekip doğrulukta 100 kat artış elde etti.
Sr2, Zelevinsky ve ekibinin moleküler saati için tercih edilen malzemeydi çünkü diyot lazerler onu oluşturan atomları kolayca soğutabiliyordu. Elementin en yaygın izotopu olan 88Sr , benzer şekilde spinden yoksundur ve eğer mevcut olsaydı, deneyleri yönetmeyi ve teorik tedaviyi daha zor hale getirirdi.
Bilim insanları molekülleri oluşturmadan önce Sr atomlarını manyeto-optik bir tuzakta soğuttular. Atomlar lazer ışığına maruz bırakıldığında, çiftleri bağlanmamış durumlarından uyarılmış bir moleküler duruma itildi ve bu durum hızla kendiliğinden emisyon bozunmasına uğradı.
Temel halin en düşük titreşim seviyesi olan ν=0 ve en yüksek bağlı titreşim seviyesi olan ν=62, Zelevinsky ve ekibinin saat geçişini gördüğü yerlerdir. Tüm senaryolarda dönme durumu sıfırdır. Bilim insanları, yasak olan geçişi iki aşamada gerçekleştirmek için molekülleri ν=0 durumundan ν=62 durumuna bozunan sanal bir duruma uyarmak için bir lazer kullandılar.
Moleküllerin rastgele hareketinden kaynaklanan geçiş çizgisi genişliğini sınırlamak, bir kimyasal geçişin hassas bir şekilde ölçülmesindeki ana konudur. (Doppler genişlemesi). Moleküller, yakın kızılötesi lazer ışığının durağan bir dalgasının ya da optik bir kafesin çukurlarına hapsedilerek hareketsiz tutulur. Öte yandan Stark etkisi, lazerin kendi elektrik alanının geçişin başlangıç ve bitiş durumlarının enerjilerini değiştirmesine neden olur. Yakalama lazerinin frekansı, başlangıç ve bitiş durumları aynı polarize edilebilirliğe sahip olacak şekilde ayarlanarak kaymalar en aza indirilebilir. Stark etkisi bu sözde sihirli frekansta ortadan kalkar.
İstenen iptal, v=0 ve v=62 durumları söz konusu olduğunda istenmeyen saçılmalarla takip edilecektir. Zelevinsky ve ekibi, bu dezavantajı ortadan kaldırmak için yakalama lazerinin frekansını, iki durumdan biri ile daha yüksek bir elektronik durum arasındaki rezonansa yakın olacak şekilde ayarladı. Bu geçici çözüm, ν=0 → 62 geçişi boyunca seyahat eden moleküller için bir kaçış yolu sağlayarak iptal işlemini sürdürdü. Ancak yine de iki seviye arasında gidip gelen yeterince molekül vardı ve geçişin frekansı 1014 te 5 parçalık bir doğrulukla belirlenebiliyordu.
Ayrıca grup, çeşitli deneysel parametreleri değiştirerek bir belirsizlik bütçesi oluşturdu. Stark etkisi, 11 sistematik yanlışlık kaynağının ölçülmesi ve sıralanmasının ardından zirveye çıktı. Zelevinsky’ye göre, molekülleri serbest bırakmadan hapsedici lazerin gücünü ve dolayısıyla Stark etkisinin miktarını azaltmanın bir yolunu bulmak, bu hata kaynağını en aza indirmenin bir yoludur.
Bir stronsiyum moleküler saat, frekans için bir referans görevi görerek terahertz frekans metrolojisi için yeni fırsatlar yaratabilir. Zelevinsky’ye göre, kütleye bağlı olan hayali bir yerçekimi benzeri etkileşimi aramak için stronsiyum saatlerini kullanmakla da ilgileniyor. Stronsiyumun üç moleküler izotopolojisinin – 84Sr , 86Sr ve bu çalışmada kullanılan 88Sr – terahertz spektrumlarındaki farklılıklar bir işaret olabilir. Chicago Üniversitesi’nden David DeMille’e göre bir stronsiyum moleküler saati, proton-elektron kütle oranının yerçekimi veya zamandan etkilenip etkilenmediğini potansiyel olarak ortaya koyabilir. Ona göre, böyle bir sinyal “varsayılan bazı karanlık madde türleri ve/veya çok düşük kütleli parçacıklarla ilişkili yeni skaler alanlar için kanıt sağlayabilir.”
Kaynak: physics.aps.org/articles/v16/36
