Ülikülmad neljaaatomilised molekulid on seotud elektriliste dipoolmomentidega – Physics World

Nõrgalt seotud tetratoomilised molekulid, mis on rohkem kui 3000 korda külmemad kui mis tahes varasemad neljaaatomilised molekulid, on loodud äsja väljatöötatud "elektroassotsiatsiooni" tehnika abil. 2003. aasta ettepanekul põhinev töö võiks võimaldada ülikülmadel temperatuuridel kokku panna veelgi suuremaid molekule, avada ülivoolavuse ja ülijuhtivuse uuringuid ning isegi leida rakendusi kvantarvutuses.

2003. aastal teoreetiline füüsik John Bohn Colorado osariigis Boulderis asuv JILA osakond kuulus meeskonda, mida juhtis tuntud eksperimentalist Deborah Jin, kes suri aastal 2015. Nad uurisid magnetvälja mõju ülikülmadele fermioongaasidele. Teadlased avastasid, et aatomid moodustasid nõrgalt seotud kaheaatomilisi molekule, kui nad häälestasid välja väärtust nn Feshbachi resonantsi kaudu, mille sidumisenergia oli võrdne molekulide omaga. Seda protsessi hakati hiljem nimetama magnetoassotsiatsiooniks.

Seejärel, aastal 2008, meeskond, mida juhtis Jin ja tema Colorado ülikooli kolleeg Juuni Ye demonstreeris nende habraste dimeeride muundamist põhioleku molekulideks, kasutades kolmetasandilist laserjahutustehnikat, mida nimetatakse stimuleeritud Ramani adiabaatiliseks läbipääsuks (STIRAP). Neid kahte tehnikat on hiljem kasutanud lugematud teised rühmad ülikülmade dimeeride loomiseks paljude rakenduste jaoks, näiteks kvantkeemia uurimiseks.

Magnetoassotsiatsioon toimib aga ainult magnetiliste dipoolmomentidega osakeste puhul – mis tähendab, et neil peavad olema paarimata elektronid. Jini rühm töötas kaaliumiaatomitega, mis on magnetilised. Kui nad ühinevad kaheaatomiliste kaaliumimolekulide moodustamiseks, ei reageeri nad enam magnetväljadele.

Miks mitte elektroassotsiatsioon?

Samal aastal Bohn ja kolleeg Aleksandr Avdeenkov avaldas teoreetilise artikli, mis viitas sellele, et elektrilise dipoolmomendi olemasolul võib olla võimalik mittemagnetilisi molekule paaristuda: "Magnetoassotsiatsioon oli midagi, mis eksisteeris, nii et me mõtlesime, miks mitte elektroassotsiatsioon?" ütleb Bohn: "Me ei mõelnud sellele rohkem."

2023. aastal, kasutades aga Bohni esialgse ettepaneku muudetud versiooni, Xin-Yu Luo Max Plancki kvantoptika instituudist Saksamaal ja tema kolleegid paigutasid tugevalt seotud ülikülmad naatriumkaaliummolekulid (toodetud magnetoassotsiatsiooni ja STIRAP-i abil) võnkuvasse välisesse mikrolainevälja. Konkreetsete välja väärtuste juures leidsid nad spektroskoopilisi tõendeid resonantsseisundi kohta, erinevalt varem molekulipaaride vahel nähtust. Selles olekus tantsisid kaks molekuli paralleelselt, kuna nende endi elektrilised dipoolmomendid muutsid rakendatud potentsiaali. Saadud interaktsioon oli lühikestel vahemaadel eemaletõukav, kuid pikkadel vahemaadel atraktiivne, mille tulemuseks oli seotud olek, mis oli umbes 1000 korda suurem kui üksikute molekulide läbimõõt. Sel ajal olid teadlastel aga vaid tõendid riigi olemasolu kohta – mitte mingid kontrollitud vahendid osakeste sellesse paigutamiseks.

Ringpolariseeritud mikrolained

Uues töös leidsid Max Plancki teadlased ja kolleegid Hiina Wuhani ülikoolist, et rakendades ümmarguselt polariseeritud mikrolainevälja naatriumkaaliummolekulidele temperatuuril umbes 100 nK enne välja elliptilisuse suurendamist võivad nad mõned neist esile kutsuda. moodustavad tetrameere. Meeskonnal õnnestus ka tetrameerid dissotsieerida ja vabastatud dimeeride kuju vaadates pildistada tetrameeri lainefunktsiooni. Nad kirjeldavad seda artiklis loodus.

"Sidumisenergia on raadiosageduse skaala," ütleb Luo, "see on rohkem kui 10 suurusjärku nõrgem kui tüüpiline keemilise sideme energia."

Teadlased loodavad nüüd kasutada STIRAP-i tugevalt seotud tetrameeride loomiseks. Luo ütleb, et see pole lihtne ülesanne, kuna see nõuab sobivat vahepealset energiataset ja tetrameeridel on palju rohkem energiataset kui dimeeridel. "Isegi minu jaoks on lahtine küsimus, kas leiame energiatasemete metsast sobiva oleku," ütleb Luo. Kui nad siiski suudavad, pakub see ahvatlevat võimalust korrata tehnikat üha suuremate molekulide ehitamiseks.

Põimunud molekulid moodustavad uudse kubitiplatvormi

Teadlased soovivad ka oma molekule veelgi jahutada Bose-Einsteini kondensaadiks (BEC). Seejärel saaks neist võimas tööriist BEC oleku ja Bardeen-Cooper-Schriefferi (BCS) ülijuhtivuse oleku vahelise ülemineku uurimiseks. See ristmik on kõrgtemperatuurse ülijuhtivuse mõistmiseks ülioluline. Selline tööriist võimaldaks füüsikutel häälestada fermioonsete dimeeride ja bosoniliste tetrameeride vahelise kondensaadi koostisosi lihtsalt mikrolainevälja häälestamise teel. See võimaldaks neil muuta BEC degenereerunud Fermi gaasiks, mis toetab Cooperi paare.

Tulevikus võib süsteem olla isegi kvantarvutuses kasulik, kuna teoreetilised ennustused näitavad, et see peaks toetama topoloogiliselt kaitstud Majorana nullrežiime, mida saaks kasutada mürakindlate kubitite loomiseks.

Bohn kirjeldab Luo ja kolleegide tööd kui fantastilist, lisades: "See pole mitte ainult hästi tehtud, vaid see on midagi, mida paljud inimesed on juba pikka aega lootnud." Pärast rühma 2023. aasta artikli lugemist tegi ta koostööd kahe kolleegiga, et töötada välja teoreetiline raamistik, mida kirjeldatakse Physical Review Letters 2023. aasta juulis, et saavutada grupi tulemuste põhjal elektroassotsiatsioon ja näidata väljade muutmise ideaalset kiirust. "Sel ajal, kui me seda tegime, tegid nad juba katset," ütleb ta; "Ilmselt said nad sellest üksi hästi aru."

• SEO-põhise sisu ja PR-levi. Võimenduge juba täna.
• PlatoData.Network Vertikaalne generatiivne Ai. Jõustage ennast. Juurdepääs siia.
• PlatoAiStream. Web3 luure. Täiustatud teadmised. Juurdepääs siia.
• PlatoESG. Süsinik, CleanTech, Energia, Keskkond päikeseenergia, Jäätmekäitluse. Juurdepääs siia.
• PlatoTervis. Biotehnoloogia ja kliiniliste uuringute luureandmed. Juurdepääs siia.
• Allikas: https://physicsworld.com/a/ultracold-four-atom-molecules-are-bound-by-electric-dipole-moments/