Des molécules ultra-froides à quatre atomes sont liées par des moments dipolaires électriques – Physics World

Des molécules ultra-froides à quatre atomes sont liées par des moments dipolaires électriques – Physics World

Horodatage: 14 février 2024 2:23

Molécules ultra-froides tétratomiques
Interaction ultra-froide : impression artistique de deux molécules diatomiques situées dans un potentiel intermoléculaire, représenté ici par de la poudre de fer indiquant les lignes de champ par lesquelles deux molécules sont liées. (Avec l'aimable autorisation de Christoph Hohmann/MCQST)

Des molécules tétratomiques faiblement liées, plus de 3000 2003 fois plus froides que toutes les molécules précédentes à quatre atomes, ont été créées à l’aide d’une nouvelle technique d’« électroassociation ». Ces travaux, basés sur une proposition de XNUMX, pourraient permettre d'assembler des molécules encore plus grosses à des températures ultra-froides, ouvrir la voie à des études sur la superfluidité et la supraconductivité, et même trouver des applications en informatique quantique.

En 2003, physicien théoricien John Bohn de JILA à Boulder, Colorado faisait partie d'une équipe dirigée par le célèbre expérimentateur Déborah Jin, décédé en 2015. Ils étudiaient les effets des champs magnétiques sur les gaz fermioniques ultra-froids. Les chercheurs ont découvert que les atomes formaient des molécules diatomiques faiblement liées lorsqu’ils ajustaient la valeur du champ via une résonance dite de Feshbach à laquelle l’énergie de liaison était égale à celle des molécules. Ce processus est ensuite devenu connu sous le nom de magnétoassociation.

Puis, en 2008, une équipe dirigée par Jin et son collègue de l'Université du Colorado Juin Ye ont démontré la conversion de ces dimères fragiles en molécules à l'état fondamental à l'aide d'une technique de refroidissement laser à trois niveaux appelée passage adiabatique Raman stimulé (STIRAP). Les deux techniques ont ensuite été utilisées par d’innombrables autres groupes pour créer des dimères ultra-froids destinés à une multitude d’applications telles que l’étude de la chimie quantique.

Cependant, la magnétoassociation ne fonctionne que sur des particules présentant des moments dipolaires magnétiques, ce qui signifie qu'elles doivent contenir des électrons non appariés. Le groupe de Jin travaillait avec des atomes de potassium, qui sont magnétiques. Une fois qu’ils s’associent pour former des molécules diatomiques de potassium, ils ne répondent plus aux champs magnétiques.

Pourquoi pas l'électroassociation ?

La même année, Bohn et son collègue Alexandre Avdeenkov a publié un article théorique suggérant qu'il pourrait être possible d'inciter des molécules non magnétiques à s'apparier si elles avaient un moment dipolaire électrique : « La magnétoassociation était quelque chose qui existait, alors nous avons pensé, eh bien, pourquoi pas l'électroassociation ? dit Bohn, "Nous n'y avons pas réfléchi plus que cela."

En 2023, cependant, en utilisant une version modifiée de la proposition originale de Bohn, Xin Yu Luo de l'Institut Max Planck d'optique quantique en Allemagne et ses collègues ont placé des molécules de sodium et de potassium ultra-froides et fortement liées (produites par magnétoassociation et STIRAP) dans un champ micro-ondes externe oscillant. À des valeurs de champ spécifiques, ils ont trouvé des preuves spectroscopiques d’un état de résonance différent de tout ce qui avait été observé auparavant entre des paires de molécules. Dans cet état, les deux molécules dansaient en parallèle tandis que leurs propres moments dipolaires électriques modifiaient le potentiel appliqué. L’interaction résultante était répulsive à courte distance mais attractive à longue distance, ce qui aboutissait à un état lié environ 1000 XNUMX fois plus grand que les diamètres des molécules individuelles. À l’époque, cependant, les chercheurs disposaient uniquement de preuves de l’existence de l’État – et non d’un moyen contrôlé d’y placer des particules.

Micro-ondes à polarisation circulaire

Dans leurs nouveaux travaux, les chercheurs de Max Planck et leurs collègues de l'Université de Wuhan en Chine ont découvert qu'en appliquant un champ micro-ondes à polarisation circulaire aux molécules de sodium et de potassium à des températures d'environ 100 nK avant d'augmenter l'ellipticité du champ, ils pouvaient inciter certaines d'entre elles à former des tétramères. L’équipe a également réussi à dissocier les tétramères et, en observant la forme des dimères libérés, à imager la fonction d’onde des tétramères. Ils décrivent cela dans Nature.

"L'énergie de liaison est à l'échelle des radiofréquences", explique Luo, "elle est plus de 10 ordres de grandeur plus faible que l'énergie de liaison chimique typique."

Les chercheurs espèrent maintenant utiliser STIRAP pour créer des tétramères fortement liés. Ce ne sera pas une tâche facile, explique Luo, car cela nécessite un niveau d’énergie intermédiaire approprié, et les tétramères ont beaucoup plus de niveaux d’énergie que les dimères. «Même pour moi, la question reste ouverte de savoir si nous pouvons trouver un état approprié dans la forêt des niveaux d'énergie», déclare Luo. S’ils le peuvent, cependant, cela offre la possibilité alléchante de répéter la technique pour construire des molécules toujours plus grosses.

Les chercheurs cherchent également à refroidir davantage leurs molécules dans un condensat de Bose-Einstein (BEC). Ils deviendraient alors un outil puissant pour étudier le croisement entre l’état de supraconductivité BEC et l’état de Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS). Ce croisement est crucial pour comprendre la supraconductivité à haute température. Un tel outil permettrait aux physiciens d’ajuster les constituants du condensat entre les dimères fermioniques et les tétramères bosoniques simplement en réglant le champ micro-ondes. Cela leur permettrait de transformer un BEC en un gaz de Fermi dégénéré prenant en charge les paires de Cooper.

Dans le futur, le système pourrait même être utile dans l'informatique quantique, car les prédictions théoriques suggèrent qu'il devrait prendre en charge les modes zéro Majorana topologiquement protégés qui pourraient être utilisés pour créer des qubits résistants au bruit.

Bohn décrit le travail de Luo et de ses collègues comme fantastique, ajoutant : « Non seulement il est bien fait, mais c'est quelque chose que beaucoup de gens espèrent depuis longtemps. » Après avoir lu l'article du groupe de 2023, il a collaboré avec deux collègues pour développer un cadre théorique, décrit dans Physical Review Letters en juillet 2023, pour avoir réalisé une électroassociation basée sur les résultats du groupe et montré la vitesse idéale pour modifier les champs. « Pendant que nous faisions cela, ils avaient déjà fait l'expérience », dit-il ; « De toute évidence, ils l’ont très bien compris par eux-mêmes. »

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