Современные техника даёт возможность работать с отдельными атомами и молекулами в ловушках различного типа. Эксперименты с отдельными молекулярными ионами требуют достаточно простых и надёжных способов идентификации этих ионов; недавно датские ученые предложили такой способ.

Рис.1. Схема экспериментальной установки.

Использование лазеров позволяет охлаждать разряженные газы до сверхнизких температур и работать даже с отдельными атомами (см., например, нашу новость "Квантовый регистр из нейтральных атомов"). Молекулярные ионы также могут быть охлаждены до низких (менее 10 мК) температур за счет кулоновского взаимодействия с охлажденными с помощью лазера атомными ионами (в случае отдельных ионов подразумевается, что можно сделать их скорость достаточно малой). Имеющие малую скорость отдельные молекулярные ионы в ловушках представляют большой интерес для ученых как с точки зрения исследования их собственных свойств, так и с точки зрения химической физики - исследования взаимодействия отдельных молекул с атомами или другими молекулами. Необходимым условием таких исследований является умение определить, какой, собственно, молекулярный ион находится в ловушке до и после эксперимента. Для идентификации отдельных молекулярных ионов не всегда можно использовать спектроскопические методы, поэтому важно иметь простые и надежные методы идентификации, основывающиеся на самых общих принципах.

Подобный метод предложен в работе датских ученых [1] - ставка делается на определение массы молекулярного иона при резонансном возбуждении колебательных мод системы из двух ионов (молекулярного и тестового атомного). Для системы из двух одинаково заряженных ионов, находящихся в ловушке, легко вычислить собственные частоты колебаний (для движения вдоль оси ловушки), которые будут определяться отношением масс ионов (одна частота соответствует движению системы как целого, вторая - относительному движению ионов). Экспериментально определяя эти частоты, можно определить и массу молекулярного иона.

Для того, чтобы продемонстрировать работоспособность методики, исследователи проверили её на системе, состоящей из иона⁴⁰Ca⁺ и молекулярного иона ⁴⁰Ca¹⁶O⁺. Для того, чтобы определить собственные частоты колебаний, необходимо уметь отслеживать движение ионов в ловушке (при столь низких температурах они локализованы в пределах объёма порядка 10 мкм²). Это можно сделать с помощью оптической системы, содержащей камеру на основе ПЗС-матрицы (схема экспериментальной установки показана на рис.1), которая регистрирует испущенные ионами в процессе лазерного охлаждения фотоны. Прикладывая периодически меняющуюся внешнюю силу, можно возбудить колебания ионов. Когда частота вынуждающей силы будет совпадать с одной из собственных частот колебаний системы, должен иметь место резонанс, т.е. амплитуда колебаний ионов должна возрастать, что и можно зафиксировать с помощью оптической системы. Для воздействия на ионы в экспериментах использовалось либо переменное электрическое поле, либо модуляция излучения лазера (что меняет силу давления света на ион) - рис.1.

Рис.2. Изображения двух ионов 40Ca+ в отсутствии внешней силы (a) и в резонансе (b). c, d - та же ситуация для случая, когда один из ионов - молекулярный ион 40Ca16O+ (он не флуоресцирует).

Слева на рис.2 показаны изображения двух ионов ⁴⁰Ca⁺ в отсутствии внешней силы (рис.2a) и в резонансе (рис.2b). На рис.2c, 2d показана та же ситуация для случая, когда один из ионов - молекулярный ион ⁴⁰Ca¹⁶O⁺ (он не флуоресцирует). Зная собственные частоты, экспериментаторы могут определить массу этого иона с достаточной точностью, чтобы сказать, что это именно ион ⁴⁰Ca¹⁶O⁺, а не ион CaO⁺ с другой изотопной композицией.

Регистрируя только синфазную составляющую движения ионов, можно существенно повысить точность определения резонансной частоты и, соответственно, массы иона. Достигнутая в таких экспериментах точность достаточна уже для того, чтобы отличить друг от друга молекулярные ионы, состоящие из одинакового числа нуклонов, такие, как ¹³C₂H₂⁺ и ¹⁴N₂⁺.

1. M.Drewsen, A.Mortensen, R.Martinussen, P.Staanum, and J.L.Sorensen. Phys.Rev.Lett, v.93, 243201 (2004).

Е.Онищенко