Τα υπερψυχρά μόρια τεσσάρων ατόμων δεσμεύονται από ηλεκτρικές διπολικές ροπές - Physics World

Ασθενώς συνδεδεμένα τετρατομικά μόρια που είναι περισσότερο από 3000 φορές ψυχρότερα από οποιαδήποτε προηγούμενα μόρια τεσσάρων ατόμων έχουν δημιουργηθεί χρησιμοποιώντας μια πρόσφατα αναπτυγμένη τεχνική «ηλεκτροσυνδυασμού». Η εργασία, η οποία βασίζεται σε μια πρόταση του 2003, θα μπορούσε να καταστήσει δυνατή τη συγκέντρωση ακόμη μεγαλύτερων μορίων σε εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες, να ανοίξει μελέτες για την υπερρευστότητα και την υπεραγωγιμότητα, ακόμη και να βρει εφαρμογές στον κβαντικό υπολογισμό.

Το 2003, θεωρητικός φυσικός Τζον Μπον της JILA στο Boulder του Κολοράντο ήταν μέρος μιας ομάδας με επικεφαλής τον διάσημο πειραματιστή Ντέμπορα Τζιν, ο οποίος πέθανε το 2015. Μελετούσαν τις επιδράσεις των μαγνητικών πεδίων σε υπερψυχρά φερμιονικά αέρια. Οι ερευνητές ανακάλυψαν ότι τα άτομα σχημάτισαν ασθενώς συνδεδεμένα διατομικά μόρια όταν συντόνισαν την τιμή του πεδίου σε έναν αποκαλούμενο συντονισμό Feshbach στον οποίο η ενέργεια δέσμευσης ήταν ίση με αυτή των μορίων. Αυτή η διαδικασία στη συνέχεια έγινε γνωστή ως μαγνητοσύνδεση.

Στη συνέχεια, το 2008, μια ομάδα με επικεφαλής την Jin και τον συνάδελφό της στο Πανεπιστήμιο του Κολοράντο Jun Ye έδειξε τη μετατροπή αυτών των εύθραυστων διμερών σε μόρια βασικής κατάστασης χρησιμοποιώντας μια τεχνική ψύξης λέιζερ τριών επιπέδων που ονομάζεται διεγερμένη αδιαβατική δίοδος Raman (STIRAP). Οι δύο τεχνικές στη συνέχεια χρησιμοποιήθηκαν από αμέτρητες άλλες ομάδες για τη δημιουργία υπερψυχρών διμερών για μια πληθώρα εφαρμογών όπως η μελέτη της κβαντικής χημείας.

Η μαγνητική συσχέτιση λειτουργεί, ωστόσο, μόνο σε σωματίδια με μαγνητικές διπολικές ροπές – πράγμα που σημαίνει ότι πρέπει να έχουν ασύζευκτα ηλεκτρόνια. Η ομάδα του Jin δούλευε με άτομα καλίου, τα οποία είναι μαγνητικά. Μόλις συνδεθούν για να σχηματίσουν διατομικά μόρια καλίου, δεν ανταποκρίνονται πλέον στα μαγνητικά πεδία.

Γιατί όχι ηλεκτροσύνδεση;

Την ίδια χρονιά, ο Bohn και ο συνάδελφος Aleksandr Avdeenkov δημοσίευσε μια θεωρητική εργασία που υποδηλώνει ότι μπορεί να είναι δυνατό να προκληθούν μη μαγνητικά μόρια να συζευχθούν εάν είχαν ηλεκτρική διπολική ροπή: «Η μαγνητοσυσχέτιση ήταν κάτι που υπήρχε, οπότε σκεφτήκαμε, καλά, γιατί όχι ηλεκτροσύνδεση;» λέει ο Bohn, «Δεν το σκεφτήκαμε περισσότερο από αυτό».

Το 2023, ωστόσο, χρησιμοποιώντας μια τροποποιημένη έκδοση της αρχικής πρότασης του Bohn, Xin-Yu Luo του Ινστιτούτου Max Planck για την Κβαντική Οπτική στη Γερμανία και οι συνεργάτες του τοποθέτησαν ισχυρά συνδεδεμένα, υπερψυχρά μόρια καλίου νατρίου (που παράγονται από μαγνητοσύνδεση και STIRAP) σε ένα ταλαντούμενο εξωτερικό πεδίο μικροκυμάτων. Σε συγκεκριμένες τιμές πεδίου, βρήκαν φασματοσκοπικά στοιχεία μιας κατάστασης συντονισμού σε αντίθεση με οτιδήποτε είχε δει προηγουμένως μεταξύ ζευγών μορίων. Σε αυτή την κατάσταση τα δύο μόρια χόρευαν παράλληλα καθώς οι δικές τους ηλεκτρικές διπολικές ροπές τροποποιούσαν το εφαρμοζόμενο δυναμικό. Η προκύπτουσα αλληλεπίδραση ήταν απωθητική σε μικρές αποστάσεις αλλά ελκυστική σε μεγάλες αποστάσεις, με αποτέλεσμα μια δεσμευμένη κατάσταση που ήταν περίπου 1000 φορές μεγαλύτερη από τις διαμέτρους των μεμονωμένων μορίων. Εκείνη την εποχή, ωστόσο, οι ερευνητές είχαν μόνο αποδείξεις ότι υπήρχε το κράτος – όχι ελεγχόμενα μέσα για να τοποθετήσουν σωματίδια σε αυτό.

Κυκλικά πολωμένα μικροκύματα

Στη νέα εργασία, οι ερευνητές Max Planck και οι συνεργάτες του στο Πανεπιστήμιο της Γουχάν στην Κίνα διαπίστωσαν ότι, εφαρμόζοντας ένα κυκλικά πολωμένο πεδίο μικροκυμάτων σε μόρια καλίου νατρίου σε θερμοκρασίες περίπου 100 nK πριν αυξήσουν την ελλειπτικότητα του πεδίου, θα μπορούσαν να προκαλέσουν μερικά από αυτά να σχηματίζουν τετραμερή. Η ομάδα κατάφερε επίσης να διαχωρίσει τα τετραμερή και, κοιτάζοντας το σχήμα των διμερών που απελευθερώθηκαν, να απεικονίσει την κυματοσυνάρτηση τετραμερούς. Το περιγράφουν αυτό στο Φύση.

«Η ενέργεια δέσμευσης είναι κλίμακας ραδιοσυχνοτήτων», λέει ο Luo, «είναι περισσότερες από 10 τάξεις μεγέθους ασθενέστερη από την τυπική ενέργεια χημικού δεσμού».

Οι ερευνητές ελπίζουν τώρα να χρησιμοποιήσουν το STIRAP για να δημιουργήσουν ισχυρά συνδεδεμένα τετραμερή. Αυτό δεν θα είναι εύκολο έργο, λέει ο Luo, επειδή απαιτεί ένα κατάλληλο ενδιάμεσο επίπεδο ενέργειας και τα τετραμερή έχουν πολύ περισσότερα επίπεδα ενέργειας από τα διμερή. «Ακόμη και για μένα είναι ένα ανοιχτό ερώτημα αν μπορούμε να βρούμε μια κατάλληλη κατάσταση στο δάσος των επιπέδων ενέργειας», λέει ο Luo. Εάν μπορούν, ωστόσο, επιφυλάσσει τη δελεαστική πιθανότητα επανάληψης της τεχνικής για τη δημιουργία ολοένα και μεγαλύτερων μορίων.

Τα μπλεγμένα μόρια δημιουργούν μια νέα πλατφόρμα qubit

Οι ερευνητές προσπαθούν επίσης να ψύξουν περαιτέρω τα μόριά τους σε συμπύκνωμα Bose-Einstein (BEC). Στη συνέχεια θα γίνονταν ένα ισχυρό εργαλείο για τη μελέτη της διασταύρωσης μεταξύ της κατάστασης BEC και της κατάστασης υπεραγωγιμότητας Bardeen–Cooper–Schrieffer (BCS). Αυτό το crossover είναι ζωτικής σημασίας για την κατανόηση της υπεραγωγιμότητας σε υψηλή θερμοκρασία. Ένα τέτοιο εργαλείο θα επέτρεπε στους φυσικούς να συντονίσουν τα συστατικά του συμπυκνώματος μεταξύ φερμιονικών διμερών και τετραμερών μποζονίων απλώς ρυθμίζοντας το πεδίο μικροκυμάτων. Αυτό θα τους επέτρεπε να μετατρέψουν ένα BEC σε ένα εκφυλισμένο αέριο Fermi που υποστηρίζει ζεύγη Cooper.

Περαιτέρω στο μέλλον, το σύστημα θα μπορούσε να είναι χρήσιμο ακόμη και στον κβαντικό υπολογισμό, καθώς θεωρητικές προβλέψεις υποδηλώνουν ότι θα πρέπει να υποστηρίζει τοπολογικά προστατευμένες μηδενικές λειτουργίες Majorana που θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για τη δημιουργία qubits ανθεκτικών στο θόρυβο.

Ο Bohn περιγράφει τη δουλειά του Luo και των συναδέλφων του ως φανταστική, προσθέτοντας «Όχι μόνο είναι καλά γίνει, αλλά είναι κάτι που πολλοί άνθρωποι ήλπιζαν εδώ και πολύ καιρό». Αφού διάβασε την εργασία του 2023 της ομάδας, συνεργάστηκε με δύο συναδέλφους του για να αναπτύξει ένα θεωρητικό πλαίσιο, που περιγράφεται στο Επιστολές Φυσικής Επισκόπησης τον Ιούλιο του 2023, για την επίτευξη ηλεκτροσυσχέτισης με βάση τα αποτελέσματα της ομάδας και την εμφάνιση του ιδανικού ρυθμού για την αλλαγή των πεδίων. «Ενώ το κάναμε αυτό, έκαναν ήδη το πείραμα», λέει. «Προφανώς το κατάλαβαν μια χαρά μόνοι τους».

• SEO Powered Content & PR Distribution. Ενισχύστε σήμερα.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Ενδυναμώστε τον εαυτό σας. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Ενισχύθηκε η γνώση. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoESG. Ανθρακας, Cleantech, Ενέργεια, Περιβάλλον, Ηλιακός, Διαχείριση των αποβλήτων. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoHealth. Ευφυΐα βιοτεχνολογίας και κλινικών δοκιμών. Πρόσβαση εδώ.
• πηγή: https://physicsworld.com/a/ultracold-four-atom-molecules-are-bound-by-electric-dipole-moments/