مولکول های چهار اتمی فوق سرد توسط گشتاورهای دوقطبی الکتریکی محدود می شوند - دنیای فیزیک

مولکول های چهار اتمی فوق سرد توسط گشتاورهای دوقطبی الکتریکی محدود می شوند - دنیای فیزیک

تمبر زمان: 14 فوریه 2024، ساعت 2:23 بعد از ظهر

مولکول های فوق سرد چهار اتمی
برهم کنش فوق سرد: برداشت هنری دو مولکول دو اتمی در یک پتانسیل بین مولکولی نشسته است که در اینجا با پودر آهن نشان داده می شود که خطوط میدانی را نشان می دهد که از طریق آنها دو مولکول متصل می شوند. (با احترام: Christoph Hohmann/MCQST)

مولکول‌های چهار اتمی با پیوند ضعیف که بیش از 3000 برابر سردتر از هر مولکول چهار اتمی قبلی هستند، با استفاده از یک تکنیک جدید "الکتروهمبستگی" ایجاد شده‌اند. این کار، که بر اساس یک پیشنهاد در سال 2003 است، می‌تواند مولکول‌های بزرگ‌تر را در دماهای فوق‌سرد جمع‌آوری کند، مطالعاتی را در زمینه ابرسیالیت و ابررسانایی انجام دهد و حتی کاربردهایی در محاسبات کوانتومی پیدا کند.

در سال 2003، فیزیکدان نظری جان بون از JILA در بولدر، کلرادو بخشی از تیمی بود که توسط این آزمایشگر مشهور رهبری می شد دبورا جین، که در سال 2015 درگذشت. آنها در حال مطالعه اثرات میدان های مغناطیسی بر روی گازهای فرمیونی فوق سرد بودند. محققان دریافتند که اتم‌ها زمانی که مقدار میدان را در رزونانس به اصطلاح فشباخ تنظیم می‌کنند، مولکول‌های دواتمی ضعیف تشکیل می‌دهند که در آن انرژی اتصال برابر با انرژی مولکول‌ها است. این فرآیند متعاقباً به عنوان مغناطیسی همبستگی شناخته شد.

سپس، در سال 2008، تیمی به رهبری جین و همکارش در دانشگاه کلرادو جون یه تبدیل این دایمرهای شکننده به مولکول‌های حالت پایه را با استفاده از یک تکنیک خنک‌کننده لیزری سه سطحی به نام عبور آدیاباتیک رامان تحریک شده (STIRAP) نشان داد. این دو تکنیک متعاقباً توسط گروه‌های بی‌شماری دیگر برای ایجاد دایمرهای فوق سرد برای کاربردهای فراوانی مانند مطالعه شیمی کوانتومی مورد استفاده قرار گرفتند.

با این حال، پیوند مغناطیسی فقط روی ذرات با گشتاورهای دوقطبی مغناطیسی کار می کند - به این معنی که آنها باید الکترون های جفت نشده داشته باشند. گروه جین با اتم های پتاسیم که مغناطیسی هستند کار می کردند. هنگامی که آنها برای تشکیل مولکول های دو اتمی پتاسیم پیوند می خورند، دیگر به میدان های مغناطیسی پاسخ نمی دهند.

چرا الکترواساسیشن نیست؟

در همان سال، Bohn و همکار الکساندر آودینکوف مقاله‌ای نظری منتشر کرد که نشان می‌دهد اگر مولکول‌های غیر مغناطیسی دارای گشتاور دوقطبی الکتریکی باشند، ممکن است بتوان جفت شدن مولکول‌های غیر مغناطیسی را القا کرد: "همبستگی مغناطیسی چیزی بود که وجود داشت، بنابراین ما فکر کردیم، خوب، چرا الکتریسیته نه؟" Bohn می‌گوید: «ما بیشتر از این به آن فکر نکردیم.»

با این حال، در سال 2023، با استفاده از یک نسخه اصلاح شده از پیشنهاد اصلی Bohn، شین یو لو مؤسسه ماکس پلانک برای اپتیک کوانتومی در آلمان و همکارانش، مولکول‌های پتاسیم سدیم فوق سرد (تولید شده توسط مغناطیسی و STIRAP) را در یک میدان مایکروویو خارجی نوسانی قرار دادند. در مقادیر میدانی خاص، آنها شواهد طیف‌سنجی یک حالت تشدید را بر خلاف آنچه که قبلاً بین جفت مولکول‌ها دیده شده بود، پیدا کردند. در این حالت دو مولکول به طور موازی می رقصیدند زیرا گشتاورهای دوقطبی الکتریکی خود پتانسیل اعمال شده را تغییر می دادند. برهمکنش حاصل در فواصل کوتاه دافعه بود اما در فواصل طولانی جذاب بود و در نتیجه حالتی محدود شد که حدود 1000 برابر بزرگتر از قطر هر مولکول بود. با این حال، در آن زمان، محققان تنها شواهدی دال بر وجود این حالت داشتند – نه هیچ وسیله کنترل شده ای برای قرار دادن ذرات در آن.

مایکروویوهای قطبی دایره ای

در کار جدید، محققان ماکس پلانک و همکارانش در دانشگاه ووهان در چین دریافتند که با اعمال یک میدان مایکروویو پلاریزه دایره‌ای روی مولکول‌های سدیم پتاسیم در دمای حدود 100 نانوکیلووین قبل از افزایش بیضی بودن میدان، می‌توانند برخی از آنها را به تترامرها را تشکیل می دهند. تیم همچنین موفق شد تترامرها را جدا کند و با مشاهده شکل دایمرهای آزاد شده، تابع موج تترامر را تصویر کند. آنها این را در طبیعت.

لو می‌گوید: «انرژی اتصال در مقیاس فرکانس رادیویی است، بیش از 10 مرتبه قدر ضعیف‌تر از انرژی پیوند شیمیایی معمولی است.»

اکنون محققان امیدوارند که از STIRAP برای ایجاد تترامرهای قویاً متصل استفاده کنند. به گفته لو، این کار آسانی نخواهد بود، زیرا به سطح انرژی متوسط ​​مناسبی نیاز دارد و تترامرها سطوح انرژی بسیار بیشتری نسبت به دایمرها دارند. لو می‌گوید: «حتی برای من این یک سوال باز است که آیا می‌توانیم وضعیت مناسبی در جنگل سطوح انرژی پیدا کنیم یا خیر. با این حال، اگر آنها بتوانند، امکان وسوسه انگیز تکرار تکنیک ساخت مولکول های بزرگتر را فراهم می کند.

محققان همچنین به دنبال خنک کردن مولکول های خود در یک میعانات بوز-اینشتین (BEC) هستند. سپس آنها به ابزاری قدرتمند برای مطالعه تلاقی بین حالت BEC و وضعیت ابررسانایی Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) تبدیل خواهند شد. این متقاطع برای درک ابررسانایی در دمای بالا بسیار مهم است. چنین ابزاری به فیزیکدانان این امکان را می دهد که به سادگی با تنظیم میدان مایکروویو، اجزای تشکیل دهنده میعان را بین دایمرهای فرمیونی و تترامرهای بوزونی تنظیم کنند. این به آنها اجازه می دهد تا یک BEC را به یک گاز فرمی منحط تبدیل کنند که از جفت های کوپر پشتیبانی می کند.

بیشتر در آینده، این سیستم حتی می‌تواند در محاسبات کوانتومی مفید باشد، زیرا پیش‌بینی‌های نظری نشان می‌دهد که باید از حالت‌های صفر محافظت‌شده Majorana که می‌توانند برای ایجاد کیوبیت‌های مقاوم در برابر نویز استفاده شوند، پشتیبانی کند.

Bohn کار لو و همکارانش را فوق‌العاده توصیف می‌کند و می‌افزاید: «نه تنها به خوبی انجام شده است، بلکه چیزی است که بسیاری از مردم برای مدت طولانی به آن امیدوار بودند.» پس از خواندن مقاله گروه در سال 2023، او با دو همکار خود برای توسعه یک چارچوب نظری، که در Physical Review Letters به در جولای 2023، برای دستیابی به همبستگی الکتریکی بر اساس نتایج گروه، و نشان دادن نرخ ایده آل برای تغییر میدان ها. او می گوید: «در حالی که ما این کار را انجام می دادیم، آنها قبلاً این آزمایش را انجام دادند. "بدیهی است که آنها به تنهایی متوجه این موضوع شده اند."

تمبر زمان:

بیشتر از دنیای فیزیک