Ultrakylmiä neljän atomin molekyylejä sitovat sähköiset dipolimomentit – Physics World

Heikosti sitoutuneita tetratomisia molekyylejä, jotka ovat yli 3000 kertaa kylmempiä kuin mikään aikaisempi neljän atomin molekyyli, on luotu käyttämällä äskettäin kehitettyä "elektroassosiaatio" -tekniikkaa. Vuoden 2003 ehdotukseen perustuva työ voisi mahdollistaa entistä suurempien molekyylien kokoamisen ultrakylmissä lämpötiloissa, avata tutkimuksia superfluiditeetista ja suprajohtavuudesta ja jopa löytää sovelluksia kvanttilaskentaan.

Vuonna 2003 teoreettinen fyysikko John Bohn JILAn Boulderissa, Coloradossa, kuului tunnetun kokeilijan johtamaan tiimiin Deborah Jin, joka kuoli vuonna 2015. He tutkivat magneettikenttien vaikutuksia ultrakylmiin fermionisiin kaasuihin. Tutkijat havaitsivat, että atomit muodostivat heikosti sitoutuneita kaksiatomisia molekyylejä, kun he virittivät kentän arvon niin sanotun Feshbach-resonanssin yli, jossa sitoutumisenergia oli yhtä suuri kuin molekyylien. Tämä prosessi tunnettiin myöhemmin nimellä magnetoassosiaatio.

Sitten vuonna 2008 Jinin ja hänen Coloradon yliopiston kollegansa johtama tiimi Kesäkuu Ye osoitti näiden hauraiden dimeerien muuntamisen perustilamolekyyleiksi käyttämällä kolmitasoista laserjäähdytystekniikkaa, jota kutsutaan stimuloiduksi Raman-adiabaattiseksi passiukseksi (STIRAP). Lukemattomat muut ryhmät ovat sittemmin käyttäneet näitä kahta tekniikkaa ultrakylmien dimeerien luomiseen lukuisiin sovelluksiin, kuten kvanttikemian tutkimukseen.

Magnetoassosiaatio toimii kuitenkin vain hiukkasissa, joilla on magneettinen dipolimomentti – mikä tarkoittaa, että niissä täytyy olla parittomia elektroneja. Jinin ryhmä työskenteli kaliumatomien kanssa, jotka ovat magneettisia. Kun ne yhdistyvät muodostaen kaksiatomisia kaliummolekyylejä, ne eivät enää reagoi magneettikenttiin.

Miksei sähköassosiaatiota?

Samana vuonna Bohn ja kollega Aleksandr Avdeenkov julkaisi teoreettisen artikkelin, jossa ehdotettiin, että ei-magneettisia molekyylejä saattaisi olla mahdollista saada pariutumaan, jos niillä olisi sähköinen dipolimomentti: "Magnetoassosiaatio oli jotain, mikä oli olemassa, joten ajattelimme, miksi ei sähköassosiaatiota?" Bohn sanoo: "Emme pohtineet sitä sen enempää."

Vuonna 2023 kuitenkin käyttämällä Bohnin alkuperäisen ehdotuksen muutettua versiota, Xin-Yu Luo Max Planck Institute for Quantum Optics Saksasta ja kollegat asettivat vahvasti sitoutuneita, ultrakylmiä natriumkaliummolekyylejä (tuotettu magnetoassosiaatiolla ja STIRAPilla) värähtelevään ulkoiseen mikroaaltokenttään. Tietyillä kenttäarvoilla he löysivät spektroskooppisia todisteita resonanssitilasta, toisin kuin mikään aiemmin nähty molekyyliparien välillä. Tässä tilassa kaksi molekyyliä tanssivat rinnakkain, kun niiden omat sähköiset dipolimomentit muuttivat käytettyä potentiaalia. Tuloksena oleva vuorovaikutus oli vastenmielinen lyhyillä etäisyyksillä, mutta houkutteleva pitkillä etäisyyksillä, mikä johti sitoutuneeseen tilaan, joka oli noin 1000 kertaa suurempi kuin yksittäisten molekyylien halkaisijat. Tuolloin tutkijoilla oli kuitenkin vain todisteita valtion olemassaolosta – ei mitään kontrolloituja keinoja hiukkasten sijoittamiseksi siihen.

Pyöreäpolarisoidut mikroaaltouunit

Uudessa työssä Max Planckin tutkijat ja kollegat Wuhanin yliopistosta Kiinasta havaitsivat, että soveltamalla ympyräpolarisoitua mikroaaltokenttää natriumkaliummolekyyleihin noin 100 nK:n lämpötiloissa ennen kentän elliptisyys kasvamista, he voivat saada osan niistä muodostavat tetrameerejä. Ryhmä onnistui myös erottamaan tetrameerit ja tarkastelemalla vapautuneiden dimeerien muotoa, kuvaamaan tetrameerin aaltofunktiota. He kuvaavat tätä kirjassa luonto.

"Sitoutumisenergia on radiotaajuusasteikko", Luo sanoo, "se on yli 10 suuruusluokkaa heikompi kuin tyypillinen kemiallinen sidosenergia."

Tutkijat toivovat nyt voivansa käyttää STIRAPia vahvasti sitoutuneiden tetrameerien luomiseen. Tämä ei tule olemaan helppo tehtävä, Luo sanoo, koska se vaatii sopivan energian välitason ja tetrameereillä on paljon enemmän energiatasoja kuin dimeereillä. ”Minullekin on avoin kysymys, löydämmekö energiatasojen metsästä sopivan tilan”, Luo sanoo. Jos he voivat kuitenkin, se tarjoaa houkuttelevan mahdollisuuden toistaa tekniikkaa yhä suurempien molekyylien rakentamiseksi.

Sotkeutuneet molekyylit muodostavat uudenlaisen qubit-alustan

Tutkijat pyrkivät myös jäähdyttämään molekyylejään edelleen Bose-Einstein-kondensaatiksi (BEC). Niistä tulisi sitten tehokas työkalu BEC-tilan ja Bardeen-Cooper-Schriefferin (BCS) suprajohtavuustilan välisen risteyksen tutkimiseen. Tämä crossover on ratkaisevan tärkeä korkean lämpötilan suprajohtavuuden ymmärtämiseksi. Tällainen työkalu antaisi fyysikot virittää fermionisten dimeerien ja bosonisten tetrameerien välisen kondensaatin aineosat yksinkertaisesti virittämällä mikroaaltokenttää. Tämä antaisi heille mahdollisuuden muuttaa BEC:n rappeutuneeksi Fermi-kaasuksi, joka tukee Cooper-pareja.

Myöhemmin järjestelmä voisi olla hyödyllinen kvanttilaskennassa, koska teoreettisten ennusteiden mukaan sen pitäisi tukea topologisesti suojattuja Majoranan nollatiloja, joita voitaisiin käyttää kohinaa kestävien kubittien luomiseen.

Bohn kuvailee Luon ja kollegoiden työtä fantastiseksi ja lisää: "Se ei ole vain hyvin tehty, vaan se on jotain, jota monet ihmiset ovat toivoneet jo pitkään." Luettuaan ryhmän 2023 paperin hän teki yhteistyötä kahden kollegansa kanssa teoreettisen viitekehyksen kehittämiseksi, joka kuvataan Fyysisen tarkastelun kirjaimet heinäkuussa 2023 sähköassosiaatioiden saavuttamiseksi ryhmän tulosten perusteella ja ihanteellisen nopeuden osoittamiseksi kenttien muuttamiseksi. "Kun teimme sitä, he jo tekivät kokeen", hän sanoo; "Ilmeisesti he ymmärsivät sen ihan hyvin itse."

• SEO-pohjainen sisällön ja PR-jakelu. Vahvista jo tänään.
• PlatoData.Network Vertical Generatiivinen Ai. Vahvista itseäsi. Pääsy tästä.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Tietoa laajennettu. Pääsy tästä.
• PlatoESG. hiili, CleanTech, energia, ympäristö, Aurinko, Jätehuolto. Pääsy tästä.
• PlatonHealth. Biotekniikan ja kliinisten kokeiden älykkyys. Pääsy tästä.
• Lähde: https://physicsworld.com/a/ultracold-four-atom-molecules-are-bound-by-electric-dipole-moments/