ترتبط الجزيئات فائقة البرودة المكونة من أربع ذرات بعزم ثنائي القطب الكهربائي – عالم الفيزياء

ترتبط الجزيئات فائقة البرودة المكونة من أربع ذرات بعزم ثنائي القطب الكهربائي – عالم الفيزياء

الطابع الزمني: 14 فبراير 2024 ، الساعة 2:23 مساءً

جزيئات رباعية الذرة فائقة البرودة
التفاعل فائق البرودة: الانطباع الفني لجزيئين ثنائي الذرة يقعان في إمكانات بين الجزيئات، ويمثلها هنا مسحوق الحديد الذي يشير إلى خطوط المجال التي يرتبط من خلالها جزيئين. (بإذن من كريستوف هوهمان/MCQST)

تم إنشاء جزيئات رباعية الذرات ضعيفة الارتباط، وهي أبرد بمقدار 3000 مرة من أي جزيئات سابقة رباعية الذرات، باستخدام تقنية "الارتباط الكهربائي" المطورة حديثًا. هذا العمل، الذي يعتمد على اقتراح عام 2003، يمكن أن يجعل من الممكن تجميع جزيئات أكبر في درجات حرارة فائقة البرودة، وفتح دراسات في السيولة الفائقة والموصلية الفائقة، وحتى العثور على تطبيقات في الحوسبة الكمومية.

في عام 2003، الفيزيائي النظري جون بون كان JILA في بولدر، كولورادو جزءًا من فريق بقيادة التجريبي الشهير ديبورا جين، الذي توفي عام 2015. وكانوا يدرسون تأثيرات المجالات المغناطيسية على الغازات الفرميونية شديدة البرودة. اكتشف الباحثون أن الذرات شكلت جزيئات ثنائية الذرة ضعيفة الارتباط عندما ضبطت قيمة المجال عبر ما يسمى رنين فيشباخ حيث كانت طاقة الارتباط مساوية لطاقة الجزيئات. أصبحت هذه العملية تُعرف فيما بعد باسم الارتباط المغناطيسي.

ثم، في عام 2008، فريق بقيادة جين وزميلتها في جامعة كولورادو جون يي أظهر تحويل هذه الثنائيات الهشة إلى جزيئات الحالة الأرضية باستخدام تقنية تبريد ليزر ثلاثية المستويات تسمى ممر رامان الأديباتي المحفز (STIRAP). تم استخدام التقنيتين لاحقًا من قبل مجموعات أخرى لا تعد ولا تحصى لإنشاء ثنائيات فائقة البرودة لعدد كبير من التطبيقات، مثل دراسة كيمياء الكم.

ومع ذلك، فإن الارتباط المغناطيسي يعمل فقط على الجسيمات ذات العزوم المغناطيسية ثنائية القطب، مما يعني أنه يجب أن تحتوي على إلكترونات غير متزاوجة. كانت مجموعة جين تعمل على ذرات البوتاسيوم المغناطيسية. وبمجرد ارتباطها لتكوين جزيئات البوتاسيوم ثنائية الذرة، فإنها لا تستجيب للمجالات المغناطيسية.

لماذا لا يتم الربط الكهربائي؟

وفي نفس العام بون وزميله ألكسندر أفدينكوف نشر بحثًا نظريًا يشير إلى أنه قد يكون من الممكن حث الجزيئات غير المغناطيسية على الاقتران إذا كان لديها عزم ثنائي القطب الكهربائي: "كان الارتباط المغناطيسي شيئًا موجودًا، لذلك فكرنا، حسنًا، لماذا لا يكون الارتباط الكهربائي؟" يقول بون: «لم نفكر في الأمر أكثر من ذلك».

ولكن في عام 2023، وباستخدام نسخة معدلة من اقتراح بون الأصلي، شين يو لو قام وزملاؤه من معهد ماكس بلانك للبصريات الكمومية في ألمانيا بوضع جزيئات بوتاسيوم صوديوم شديدة البرودة شديدة الارتباط (والتي تنتجها الرابطة المغناطيسية وSTIRAP) في مجال موجات صغرية خارجية متذبذبة. عند قيم مجالية محددة، وجدوا دليلًا طيفيًا على حالة رنين تختلف عن أي شيء شوهد سابقًا بين أزواج الجزيئات. في هذه الحالة، رقص الجزيئين بالتوازي حيث قامت عزوم ثنائي القطب الكهربائية الخاصة بهما بتعديل الإمكانات المطبقة. كان التفاعل الناتج مثيرًا للاشمئزاز على مسافات قصيرة ولكنه جذاب على مسافات طويلة، مما أدى إلى حالة ربط أكبر بحوالي 1000 مرة من أقطار الجزيئات الفردية. ومع ذلك، في ذلك الوقت، لم يكن لدى الباحثين سوى دليل على وجود الحالة، وليس أي وسيلة خاضعة للرقابة لوضع الجسيمات فيها.

أفران الميكروويف ذات الاستقطاب الدائري

في العمل الجديد، وجد باحثو ماكس بلانك وزملاؤه في جامعة ووهان في الصين أنه من خلال تطبيق مجال الموجات الدقيقة المستقطب دائريًا على جزيئات الصوديوم والبوتاسيوم عند درجات حرارة حوالي 100 كيلو كلفن قبل زيادة إهليلجية المجال، يمكنهم تحفيز بعضها على شكل رباعيات. تمكن الفريق أيضًا من فصل الرباعيات، ومن خلال النظر إلى شكل الثنائيات المتحررة، تمكنوا من تصوير الدالة الموجية الرباعية. يصفون هذا في الطبيعة.

يقول لوه: "إن طاقة الربط هي مقياس للترددات الراديوية، وهي أضعف بأكثر من 10 مرات من طاقة الروابط الكيميائية النموذجية".

ويأمل الباحثون الآن في استخدام STIRAP لإنشاء رباعيات مرتبطة بقوة. يقول لوه إن هذه لن تكون مهمة سهلة، لأنها تتطلب مستوى طاقة متوسطًا مناسبًا، كما أن رباعيات التترامر لديها مستويات طاقة أكثر بكثير من ثنائيات ثنائيات. يقول لوه: "حتى بالنسبة لي، يظل السؤال مفتوحًا حول ما إذا كان بإمكاننا العثور على حالة مناسبة في غابة مستويات الطاقة". ومع ذلك، إذا استطاعوا ذلك، فإن ذلك يحمل إمكانية محيرة لتكرار هذه التقنية لبناء جزيئات أكبر من أي وقت مضى.

ويتطلع الباحثون أيضًا إلى تبريد جزيئاتهم بشكل أكبر إلى مكثف بوز-آينشتاين (BEC). ستصبح بعد ذلك أداة قوية لدراسة التقاطع بين حالة BEC وحالة الموصلية الفائقة باردين-كوبر-شريفر (BCS). يعد هذا التقاطع أمرًا بالغ الأهمية لفهم الموصلية الفائقة في درجات الحرارة العالية. ستسمح مثل هذه الأداة للفيزيائيين بضبط مكونات المكثفات بين الثنائيات الفيرميونية والرباعية البوزونية، وذلك ببساطة عن طريق ضبط مجال الموجات الميكروية. وهذا من شأنه أن يسمح لهم بتحويل BEC إلى غاز فيرمي المتحلل الذي يدعم أزواج كوبر.

وفي المستقبل، يمكن أن يكون النظام مفيدًا في الحوسبة الكمومية، حيث تشير التوقعات النظرية إلى أنه يجب أن يدعم أنماط ماجورانا الصفرية المحمية طوبولوجيًا والتي يمكن استخدامها لإنشاء كيوبتات مقاومة للضوضاء.

ويصف بون عمل لو وزملائه بأنه رائع، مضيفًا: "لم يتم إنجازه بشكل جيد فحسب، بل إنه شيء كان الكثير من الناس يأملون فيه لفترة طويلة". بعد قراءة ورقة المجموعة لعام 2023، تعاون مع اثنين من زملائه لتطوير الإطار النظري الموضح في استعراض للحروف البدنية في يوليو 2023، لتحقيق الارتباط الكهربي بناءً على نتائج المجموعة، وإظهار المعدل المثالي لتغيير الحقول. ويقول: "بينما كنا نفعل ذلك، قاموا بالتجربة بالفعل". "من الواضح أنهم اكتشفوا ذلك جيدًا بمفردهم."

الطابع الزمني:

اكثر من عالم الفيزياء