Older techniques inspire new discoveries for ultracold molecules

Sometimes, new scientific discoveries can be made from looking at well-known methods or experimental techniques in new ways. This is the basis for new research from Dr. Alan Jamison, a faculty member at the Institute for Quantum Computing (IQC) and the University of Waterloo’s Department of Physics and Astronomy, and his collaborators at the Massachusetts Institute of Technology (MIT).

Jamison researches ultra-cold molecules, which are made by cooling down atoms to nearly absolute zero in an atom trap. Once formed, these molecules can then be studied for applications including quantum-state-controlled chemistry, quantum simulations, and quantum information processing. One of the first great successes of cooling atoms to ultracold temperatures was the observation of the Bose-Einstein condensate. This was first achieved experimentally using magnetic atom traps in the mid 1990s by researchers including Jamison’s collaborator, Dr. Wolfgang Ketterle, for which Ketterle was awarded the 2001 Nobel Prize in Physics.

Since this time, however, while magnetic traps are sometimes used during the process of cooling atoms, it has become more common for researchers to use optical lasers to trap atoms during experiments. The optical traps are faster and can trap a wider range of atoms and molecules than just those with the specific magnetic properties needed to use the magnetic traps.

“When people started making ultracold molecules, they had to be in an optical trap to hold the right atomic states to make the molecules, and so you just naturally did the experiments with the molecules also in an optical trap,” said Jamison. “But it turns out that some ultracold molecules which were expected to be chemically stable seem to be undergoing chemical reactions caused by the light from the optical traps.”

Jamison and his collaborators reasoned that if they could remove the requirement of light from their experiments by using magnetic traps, they could then study these light-induced chemical reactions in controlled environments and explore new and exciting results.

“We study one of the few ultracold molecules that can be magnetically trapped, which gave us the freedom to study these older techniques in new ways,” said Jamison. “It’s exciting looking at these reactions without having to worry about what the light is doing. On one hand, it constrains us to only work with states that are magnetically trappable, but on the other hand it removes the constraint that we always need to have light on in the background.”

To combine the best properties of magnetic and optical traps, their experiment used both trapping techniques in a new combined experimental design that removed the need for atoms to be moved between the different trap types. Atoms of sodium and lithium were cooled down to ultracold temperatures using a combination of magnetic and optical cooling techniques. To form the ultracold NaLi molecules, optical trapping was necessary, however, upon formation, the molecules can be trapped again by magnetism, so the laser light was removed.

The researchers used their newly developed trapping design to measure inelastic collisions of the molecules as a proof of concept. Their success is now inspiring studies focused on a variety of different effects, such as studying how molecules respond to the introduction of light, studying the previously problematic light-induced chemical reactions in controlled ways, or seeing if the lifetime of these ultracold molecules can be prolonged with the different trapping method.

“By looking at what's considered an older way of doing things, we're finding that we have new possibilities for the future and how we work with our molecules,” said Jamison. “It’s important to always be looking forward, but also not lose sight of what's been done in the past. People had different interests and different focus in the past, so a lot of times, they thought through things in a way you didn't, or they've done something that you forgot could be done.”

This research, Magnetic trapping of ultracold molecules at high density, was published in Nature Physics on July 31 by IQC’s Jamison, and MIT’s Ketterle, Juliana Park and Yu-Kun Lu.

Parfois, c’est en considérant sous un jour nouveau des méthodes ou des techniques expérimentales bien connues que l’on réalise des percées scientifiques : voilà la prémisse d’une nouvelle étude du P^r Alan Jamison, membre du corps professoral de l’Institut d’informatique quantique (IQC) et du Département de physique et d’astronomie de l’Université de Waterloo, et de ses collaborateurs du Massachusetts Institute of Technology (MIT).

Le P^r Jamison étudie les molécules ultrafroides. Obtenues en refroidissant des atomes dans un piège jusqu’à des températures proches du zéro absolu, elles peuvent être étudiées pour des applications en chimie contrôlée à l’état quantique, en simulation quantique et en traitement de l’information quantique. L’une des premières grandes avancées dans ce domaine fut l’observation de condensats de Bose-Einstein, réalisée en laboratoire dans des pièges d’atomes magnétiques au milieu des années 1990. On doit cette avancée à une équipe dont faisait partie l’un des collaborateurs du P^r Jamison, le P^r Wolfgang Ketterle, qui a reçu pour ces travaux le prix Nobel de physique en 2001.

Toutefois, si les pièges magnétiques sont encore parfois utilisés pour le refroidissement d’atomes, ils ont depuis été détrônés par les lasers optiques dans les expériences en laboratoire. Plus rapides, les pièges optiques peuvent capter un plus grand spectre d’atomes et de molécules que leurs prédécesseurs, qui ne captaient que les atomes et molécules aux propriétés magnétiques.

« Lorsque les gens ont commencé à produire des molécules ultrafroides, il leur fallait utiliser un piège optique pour maintenir les atomes dans un état optimal. Naturellement, c’est aussi dans ces pièges que l’on menait les expériences avec les molécules, explique le P^r Jamison. Or, certaines des molécules ultrafroides que l’on croyait chimiquement stables semblent plutôt entrer en réaction chimique avec la lumière des pièges optiques. »

Le professeur et son équipe ont donc eu l’idée de se tourner vers les pièges magnétiques qui, ne requérant pas de lumière, leur permettraient d’étudier ces réactions chimiques en milieu contrôlé et d’explorer de nouvelles pistes intéressantes.

« Nous étudions l’une des rares molécules ultrafroides piégeables magnétiquement, ce qui nous donne la liberté d’aborder les techniques d’autrefois sous un angle nouveau, lance le P^r Jamison. Ce qui est intéressant, c’est qu’on peut observer ces réactions sans avoir à se soucier des effets de la lumière. D’un côté, ça nous oblige à ne travailler qu’avec des états qui se prêtent aux pièges magnétiques, mais de l’autre, ça nous ôte la contrainte d’avoir une lumière constante en arrière-plan. »

Pour conjuguer les meilleures propriétés des pièges magnétiques et optiques, l’équipe a utilisé une nouvelle conception expérimentale combinée pour ne plus avoir à déplacer les atomes d’un type de piège à l’autre. Des atomes de sodium et de lithium ont été refroidis à des températures très basses par une combinaison de techniques magnétiques et optiques. Pour former des molécules de NaLi, les chercheurs ont dû employer des pièges optiques. Cependant, comme ces molécules peuvent être piégées de nouveau par magnétisme à la formation, le faisceau laser a été omis.

En guise de validation de principe, les chercheurs ont utilisé ce piège novateur pour mesurer les chocs inélastiques entre les molécules. Leur succès inspire aujourd’hui l’exploration d’une myriade de phénomènes différents, comme l’étude de la réponse des molécules à l’introduction de lumière, l’étude contrôlée des réactions chimiques induites par la lumière auparavant problématiques, ou l’exploration d’avenues pour prolonger la vie de ces molécules ultrafroides à l’aide de diverses méthodes de piégeage.

« En étudiant ce que l’on considère comme l’ancienne méthode, nous découvrons de nouvelles voies d’avenir pour le travail avec ces molécules, s’enthousiasme le P^r Jamison. Il est important de regarder en avant, certes, mais il ne faudrait pas perdre de vue les acquis du passé. Comme les gens avaient jadis des intérêts et des sujets différents, bien souvent, ils envisageaient les problèmes différemment ou avaient des solutions que nous avons aujourd’hui oubliées. »

Cette étude du P^r Jamison de l’IQC, du P^r Ketterle du MIT, de Juliana Park et de Yu-Kun Lu intitulée « Magnetic trapping of ultracold molecules at high density » a été publiée le 31 juillet dans la revue Nature Physics.