Οι βαριές πολικές μοριακές ενώσεις αποτελούν μερικά από τα πιο ευαίσθητα εργαλεία που διαθέτουν οι φυσικοί για την αναζήτηση φαινομένων πέρα από το Καθιερωμένο Πρότυπο. Ωστόσο, η ίδια ευαισθησία που επιτρέπει την ανίχνευση εξαιρετικά ασθενών σημάτων τις καθιστά ευάλωτες σε ανεπιθύμητα ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία.
Νέα έρευνα από το California Institute of Technology παρουσιάζει έναν τρόπο περιορισμού αυτού του προβλήματος, χρησιμοποιώντας ειδικά σχεδιασμένες κβαντικές καταστάσεις σε μόρια ytterbium hydroxide (YbOH).
Η πρόκληση της υπερευαισθησίας
Τα βαριά πολικά μόρια διαθέτουν ασύμμετρη κατανομή φορτίου. Όταν επηρεάζονται από ένα εξωτερικό πεδίο, μπορούν να δημιουργήσουν ένα εσωτερικό πεδίο γύρω από τα ηλεκτρόνιά τους που είναι έως και ένα εκατομμύριο φορές ισχυρότερο.
Αυτή η ενίσχυση τα καθιστά εξαιρετικά ευαίσθητα σε φαινόμενα που θα μπορούσαν να αποκαλύψουν νέα φυσική, όπως πιθανές παραβιάσεις συμμετριών που συνδέονται με το ερώτημα γιατί το σύμπαν περιέχει πολύ περισσότερη ύλη από αντιύλη.
Παράλληλα, όμως, ενισχύεται και η επίδραση των ανεπιθύμητων πεδίων του εργαστηρίου.
Οι «μαγικές» μεταβάσεις
Οι ερευνητές εμπνεύστηκαν από τα ατομικά ρολόγια, τα οποία χρησιμοποιούν «magic» transitions μεταξύ ενεργειακών επιπέδων που παραμένουν σχεδόν αμετάβλητες όταν μεταβάλλονται τα εξωτερικά πεδία.
Στο YbOH εντόπισαν αντίστοιχες μεταβάσεις μεταξύ περιστροφικών κβαντικών καταστάσεων. Οι μεταβολές των δύο καταστάσεων αντισταθμίζονται, με αποτέλεσμα η ενεργειακή διαφορά μεταξύ τους να παραμένει σχεδόν σταθερή.
Η ευαισθησία του YbOH στα ανεπιθύμητα ηλεκτρικά πεδία μειώθηκε τουλάχιστον 700 φορές, ενώ η ευαισθησία στα μαγνητικά πεδία μειώθηκε τουλάχιστον 200 φορές, χωρίς να χαθεί η δυνατότητα ανίχνευσης πραγματικών σημάτων από το ηλεκτρικό διπολικό moment του ηλεκτρονίου.
Οι ερευνητές έδειξαν επίσης ότι άλλες επιλεγμένες κβαντικές καταστάσεις του ίδιου μορίου μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη μέτρηση των εξωτερικών πεδίων που οι «magic» transitions αγνοούν.
Η μέθοδος αποτελεί μέχρι στιγμής proof of principle, όμως θα μπορούσε να εφαρμοστεί και σε άλλα βαριά πολικά μόρια, ιδιαίτερα σε συστήματα που μπορούν να ψυχθούν και να παγιδευτούν.
Ο συνδυασμός αυξημένης ευαισθησίας και σημαντικά μειωμένου θορύβου μπορεί να ενισχύσει την αναζήτηση νέας φυσικής και πιθανών παραβιάσεων συμμετρίας που ίσως εξηγούν την κυριαρχία της ύλης έναντι της αντιύλης στο σύμπαν.
