John Doyle (físico)

Doyle ha realizado contribuciones a la física AMO en el contexto de la ciencia cuántica. Su grupo de investigación desarrolló una técnica general para enfriar y cargar moléculas en trampas, combinando tecnología criogénica con métodos de enfriamiento y control basados ​​en láser. El grupo ha aplicado esta técnica para atrapar moléculas diatómicas de monofluoruro de calcio (CaF) y, más recientemente, la extendió a moléculas poliatómicas, demostrando moléculas lineales de monohidróxido de calcio (CaOH) atrapadas y un haz de moléculas no lineales de monometóxido de calcio (CaOCH3), todo a temperaturas ultrafrías. ^{[ 12 ] [ 13 ]} En uno de sus estudios más citados, demostró una técnica de carga para el atrapamiento magnético de moléculas de monohidruro de calcio (CaH) a temperaturas de milikelvin, lograda mediante colisiones elásticas con helio criogénico que actúa como gas amortiguador frío, empleando espectroscopia Zeeman para determinar con precisión la cantidad de moléculas atrapadas y su temperatura. ^{[ 14 ]} También estudió el acoplamiento fuerte cúbit-cavidad y examinó protocolos de información cuántica y coherencia de bits moleculares. ^{[ 15 ]} Además, ha ofrecido perspectivas sobre los desafíos del enfriamiento de moléculas a su estado fundamental, así como sobre las posibles aplicaciones en campos como la computación cuántica, la medición de precisión y la física de partículas. ^{[ 16 ]}

La investigación de Doyle en el área de la computación cuántica incluye métodos para producir moléculas diatómicas y poliatómicas en matrices de pinzas ópticas , ^{[ 17 ] [ 18 ]} demostrando largos tiempos de coherencia rotacional para cúbits de CaF basados ​​en los estados rotacionales de la molécula. También propuso, junto con David Patterson, la integración de moléculas polares aisladas con dispositivos mesoscópicos de estado sólido para lograr el control a nivel cuántico. ^{[ 19 ]} Además, él y David Patterson desarrollaron una técnica para detectar y cuantificar la quiralidad en moléculas en fase gaseosa utilizando espectroscopia de microondas sensible a la fase resonante no lineal. ^{[ 20 ]}

En otra línea de trabajo, Doyle y sus colaboradores demostraron la producción de condensados ​​de Bose-Einstein de helio metaestable utilizando únicamente la carga de gas amortiguador en una trampa magnética combinada con enfriamiento evaporativo. ^{[ 21 ]} Con el grupo de Yoshihiro Takahashi en la Universidad de Kioto, colaboró ​​en la producción y el estudio de mezclas cuánticas degeneradas de Bose-Fermi y Fermi-Fermi de átomos de Yb y Li, logrando la degeneración cuántica simultánea en mezclas compuestas de átomos alcalinos y alcalinotérreos, Li e Yb. El grupo de Doyle también fue pionero en el control de colisiones frías mediante campos electromagnéticos aplicados. ^{[ 22 ] [ 23 ]}

Un área de investigación importante de Doyle han sido los procesos de colisión molecular. Su investigación sobre las moléculas de imidógeno (NH) atrapadas magnéticamente y sus colisiones con los isótopos 3He y 4He proporcionó información sobre la interacción entre la estructura molecular y la transferencia de energía colisional a bajas temperaturas. ^{[ 24 ]} En colaboración con David Patterson y Edem Tsikata, pudo observar moléculas más grandes (>5 átomos) moviéndose lentamente a bajas temperaturas (<10 K), lo que proporcionó información sobre el comportamiento de moléculas más grandes en tales condiciones. ^{[ 25 ]} Además, al combinar las técnicas de desaceleración Stark, atrapamiento magnético y enfriamiento criogénico con gas amortiguador, en colaboración con Jun Ye logró la primera observación experimental de colisiones frías entre dos especies diferentes de moléculas polares neutras seleccionadas por estado. ^{[ 26 ]}

Junto con David DeMille y Gerald Gabrielse como parte de la colaboración ACME, Doyle utilizó monóxido de torio (ThO) para medir el momento dipolar eléctrico del electrón (eEDM), logrando un límite superior de |d(e)| < 8,7 × 10-29 e·cm (90% de confianza), mejorando significativamente la sensibilidad e impactando las extensiones del Modelo Estándar en la escala de multi-TeV. ^{[ 27 ]} El mismo equipo logró más tarde otra mejora de aproximadamente un factor de diez en el límite de eEDM, |d(e)| < 1,1 × 10-29 e·cm (90% de confianza). ^{[ 28 ]} Este límite experimental mejorado en el momento dipolar eléctrico del electrón fue posible utilizando un haz de gas amortiguador de moléculas frías de ThO y midiendo la precesión de espín de electrones sometidos a un enorme campo eléctrico intramolecular . ^{[ 28 ]} Mientras tanto, él junto con sus colaboradores amplió el rango de especies para buscar eEDM similares mediante las moléculas altamente sensibles de YbOH y SrOH. ^{[ 29 ]}

En las décadas de 1990 y 2000, Doyle demostró el enfriamiento con gas amortiguador para numerosos átomos y moléculas pequeñas, incluyendo VO , NH , CaF , CaH y NH₃ _. [ ^{30 ] Su} trabajo colaborativo introdujo la técnica de enfriamiento con gas amortiguador y carga de átomos y moléculas en trampas magnéticas, aplicable a especies atrapables a temperaturas de gas amortiguador tan bajas como 240 mK, ^{[ 31 ]} y también mostró la carga y enfriamiento directo de un haz térmico en un gas amortiguador de helio criogénico. ^{[ 32 ]} Además, contribuyó al desarrollo de un método de enfriamiento general utilizando una novedosa técnica de gas amortiguador cargado por haz que podría aplicarse a una amplia gama de moléculas en un haz molecular para lograr temperaturas traslacionales por debajo de 6 K. ^{[ 33 ]}

En colaboración con David DeMille , Doyle desarrolló una nueva forma de haz molecular, conocida como haz de gas amortiguador . Posteriormente, él y Patterson crearon un nuevo tipo de haz molecular frío y lento, el haz de gas amortiguador criogénico hidrodinámicamente mejorado (CBGB). ^{[ 34 ]} Esta técnica produce haces moleculares que son comparablemente fríos a las técnicas tradicionales, pero con una velocidad mucho menor en el sistema de referencia del laboratorio y un brillo y flujo mucho mayores, especialmente para radicales moleculares. ^{[ 35 ]} El haz de gas amortiguador ha encontrado aplicaciones en el enfriamiento láser de moléculas, la espectroscopia de precisión y en experimentos de física fundamental.