Az ultrahideg négyatomos molekulákat elektromos dipólusmomentumok kötik meg – Fizika világa

Gyengén kötődő tetraatomos molekulákat, amelyek több mint 3000-szer hidegebbek, mint bármely korábbi négyatomos molekula, egy újonnan kifejlesztett „elektroasszociációs” technikával hoztak létre. A 2003-as javaslaton alapuló munka lehetővé teheti még nagyobb molekulák ultrahideg hőmérsékleten történő összeállítását, a szuperfluiditás és szupravezetés tanulmányozását, sőt a kvantumszámítástechnikában való alkalmazást is.

2003-ban elméleti fizikus John Bohn A Colorado állambeli Boulderben található JILA tagja volt a neves kísérletező által vezetett csapatnak Deborah Jin, aki 2015-ben halt meg. A mágneses mezők ultrahideg fermionos gázokra gyakorolt ​​hatását tanulmányozták. A kutatók felfedezték, hogy az atomok gyengén kötött kétatomos molekulákat képeznek, amikor a mező értékét egy úgynevezett Feshbach-rezonanciára hangolták, amelynél a kötési energia megegyezett a molekulákéval. Ez a folyamat később magnetoasszociáció néven vált ismertté.

Aztán 2008-ban egy csapat, amelyet Jin és a Colorado Egyetem munkatársa vezetett Jun Ye bemutatták ezeknek a törékeny dimereknek az alapállapotú molekulákká való átalakulását egy háromszintű lézeres hűtési technika, az úgynevezett stimulált Raman adiabatikus átjárás (STIRAP) segítségével. A két technikát később számtalan más csoport alkalmazta ultrahideg dimerek létrehozására számos alkalmazáshoz, például a kvantumkémia tanulmányozásához.

A mágneses asszociáció azonban csak a mágneses dipólusmomentumú részecskéken működik – ami azt jelenti, hogy párosítatlan elektronokkal kell rendelkezniük. Jin csoportja káliumatomokkal dolgozott, amelyek mágnesesek. Miután társulnak kétatomos káliummolekulákká, többé nem reagálnak a mágneses mezőkre.

Miért nem elektroasszociáció?

Ugyanebben az évben Bohn és kollégája Alekszandr Avdeenkov közzétett egy elméleti tanulmányt, amelyben azt sugallja, hogy lehetséges lehet a nem mágneses molekulák párosításának indukálása, ha elektromos dipólusmomentummal rendelkeznek: „A mágneses asszociáció valami létező dolog volt, ezért azt gondoltuk, miért nem elektroasszociáció?” Bohn azt mondja: „Ennél jobban nem gondoltunk rá.”

2023-ban azonban Bohn eredeti javaslatának módosított változatát használva Xin-Yu Luo A németországi Max Planck Institute for Quantum Optics munkatársa és munkatársai erősen kötött, ultrahideg nátrium-káliummolekulákat helyeztek el (magnetoasszociáció és STIRAP segítségével) oszcilláló külső mikrohullámú mezőben. Adott terepi értékeknél spektroszkópiai bizonyítékot találtak a rezonáns állapotra, ellentétben a molekulapárok között korábban látott dolgokkal. Ebben az állapotban a két molekula párhuzamosan táncolt, mivel saját elektromos dipólusmomentumaik módosították az alkalmazott potenciált. Az így létrejövő kölcsönhatás kis távolságokon taszító volt, de nagy távolságokon vonzó, ami egy kötött állapotot eredményezett, amely körülbelül 1000-szer nagyobb volt, mint az egyes molekulák átmérője. Abban az időben azonban a kutatóknak csak bizonyítékuk volt az állam létezésére – nem pedig semmilyen ellenőrzött eszköz arra, hogy részecskéket helyezzenek bele.

Cirkulárisan polarizált mikrohullámú sütők

Max Planck kutatói és munkatársai a kínai Wuhan Egyetemen az új munkában azt találták, hogy ha körkörösen polarizált mikrohullámú mezőt alkalmaznak nátrium-káliummolekulákon 100 nK körüli hőmérsékleten, mielőtt növelnék a mező ellipticitását, akkor ezek közül néhányat arra késztethetnek, tetramereket képeznek. A csapatnak sikerült disszociálnia a tetramereket, és a felszabaduló dimerek alakjának vizsgálatával leképezni a tetramer hullámfüggvényét. Ebben írják le ezt Természet.

„A kötési energia rádiófrekvenciás skála” – mondja Luo –, „több mint 10 nagyságrenddel gyengébb, mint a tipikus kémiai kötési energia.”

A kutatók most azt remélik, hogy a STIRAP segítségével erősen kötött tetramereket hozhatnak létre. Ez nem lesz könnyű feladat, mondja Luo, mert megfelelő köztes energiaszintre van szükség, és a tetramerek sokkal több energiaszinttel rendelkeznek, mint a dimerek. „Még számomra is nyitott kérdés, hogy találunk-e megfelelő állapotot az energiaszintek erdejében” – mondja Luo. Ha azonban megtehetik, akkor az egyre nagyobb molekulák felépítésére szolgáló technika megismétlésének kínzó lehetőségét rejti magában.

Az összegabalyodott molekulák új qubit platformot alkotnak

A kutatók arra is törekednek, hogy molekuláikat tovább hűtsék egy Bose–Einstein kondenzátumba (BEC). Ezután hatékony eszközzé válnának a BEC állapot és a Bardeen–Cooper–Schrieffer (BCS) szupravezető állapot közötti keresztezés tanulmányozásában. Ez a crossover kulcsfontosságú a magas hőmérsékletű szupravezetés megértéséhez. Egy ilyen eszköz lehetővé tenné a fizikusok számára, hogy a fermionos dimerek és a bozonikus tetramerek közötti kondenzátum összetevőit egyszerűen a mikrohullámú mező hangolásával hangolják. Ez lehetővé tenné számukra, hogy egy BEC-et egy degenerált Fermi-gázzá alakítsák, amely támogatja a Cooper-párokat.

A jövőben a rendszer még a kvantumszámításban is hasznos lehet, mivel az elméleti előrejelzések azt sugallják, hogy támogatnia kell a topológiailag védett Majorana zéró módokat, amelyek felhasználhatók zajálló qubitek létrehozására.

Bohn fantasztikusnak írja le Luo és kollégái munkáját, és hozzátette: „Nem csak, hogy jól sikerült, de sok ember már régóta reménykedik benne.” Miután elolvasta a csoport 2023-as tanulmányát, két kollégájával együttműködve kidolgozott egy elméleti keretet, amelyet a Fizikai áttekintés betűk 2023 júliusában, a csoport eredményei alapján elektroasszociáció eléréséért, valamint a mezők megváltoztatásának ideális ütemének bemutatásáért. „Amíg ezt csináltuk, már elvégezték a kísérletet” – mondja; – Nyilvánvalóan maguktól is rájöttek erre.

• SEO által támogatott tartalom és PR terjesztés. Erősödjön még ma.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Erősítse meg magát. Hozzáférés itt.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Felerősített tudás. Hozzáférés itt.
• PlatoESG. Carbon, CleanTech, Energia, Környezet, Nap, Hulladékgazdálkodás. Hozzáférés itt.
• PlatoHealth. Biotechnológiai és klinikai vizsgálatok intelligencia. Hozzáférés itt.
• Forrás: https://physicsworld.com/a/ultracold-four-atom-molecules-are-bound-by-electric-dipole-moments/