Le molecole ultrafredde a quattro atomi sono legate da momenti di dipolo elettrico – Physics World

Molecole tetratomiche debolmente legate che sono più di 3000 volte più fredde di qualsiasi precedente molecola a quattro atomi sono state create utilizzando una tecnica di “elettroassociazione” di nuova concezione. Il lavoro, che si basa su una proposta del 2003, potrebbe rendere possibile l’assemblaggio di molecole ancora più grandi a temperature ultrafredde, aprire gli studi sulla superfluidità e la superconduttività e persino trovare applicazioni nell’informatica quantistica.

Nel 2003, fisico teorico John Bohn della JILA a Boulder, in Colorado, faceva parte di un team guidato dal famoso sperimentalista Debora Jin, morto nel 2015. Stavano studiando gli effetti dei campi magnetici sui gas fermionici ultrafreddi. I ricercatori hanno scoperto che gli atomi formavano molecole biatomiche debolmente legate quando sintonizzavano il valore del campo attraverso una cosiddetta risonanza Feshbach alla quale l’energia di legame era uguale a quella delle molecole. Questo processo divenne successivamente noto come magnetoassociazione.

Poi, nel 2008, un team guidato da Jin e da un suo collega dell'Università del Colorado Jun Ye hanno dimostrato la conversione di questi fragili dimeri in molecole dello stato fondamentale utilizzando una tecnica di raffreddamento laser a tre livelli chiamata passaggio adiabatico Raman stimolato (STIRAP). Le due tecniche sono state successivamente utilizzate da innumerevoli altri gruppi per creare dimeri ultrafreddi per una pletora di applicazioni come lo studio della chimica quantistica.

La magnetoassociazione, tuttavia, funziona solo su particelle con momenti di dipolo magnetico, il che significa che devono avere elettroni spaiati. Il gruppo di Jin stava lavorando con gli atomi di potassio, che sono magnetici. Una volta che si associano per formare molecole biatomiche di potassio, non rispondono più ai campi magnetici.

Perché non l’elettroassociazione?

Nello stesso anno Bohn e collega Aleksandr Avdeenkov ha pubblicato un articolo teorico che suggerisce che potrebbe essere possibile indurre le molecole non magnetiche ad accoppiarsi se avessero un momento di dipolo elettrico: "La magnetoassociazione era qualcosa che esisteva, quindi abbiamo pensato, beh, perché non l'elettroassociazione?" dice Bohn: "Non ci abbiamo pensato più di così."

Nel 2023, tuttavia, utilizzando una versione modificata della proposta originale di Bohn, Xin-Yu Luo dell'Istituto Max Planck di ottica quantistica in Germania e colleghi hanno posizionato molecole di sodio e potassio ultrafredde fortemente legate (prodotte mediante magnetoassociazione e STIRAP) in un campo oscillante di microonde esterno. A valori di campo specifici, hanno trovato prove spettroscopiche di uno stato risonante diverso da qualsiasi cosa precedentemente osservata tra coppie di molecole. In questo stato le due molecole danzavano in parallelo poiché i rispettivi momenti di dipolo elettrico modificavano il potenziale applicato. L'interazione risultante era repulsiva a brevi distanze ma attraente a lunghe distanze, risultando in uno stato legato circa 1000 volte più grande del diametro delle singole molecole. All’epoca, tuttavia, i ricercatori avevano solo la prova dell’esistenza dello stato, non alcun mezzo controllato per inserirvi particelle.

Microonde polarizzate circolarmente

Nel nuovo lavoro, i ricercatori Max Planck e colleghi dell’Università di Wuhan in Cina hanno scoperto che, applicando un campo di microonde polarizzato circolarmente alle molecole di sodio e potassio a temperature intorno a 100 nK prima di aumentare l’ellitticità del campo, potrebbero indurne alcune a formare tetrameri. Il team è anche riuscito a dissociare i tetrameri e, osservando la forma dei dimeri rilasciati, a immaginare la funzione d'onda del tetramero. Lo descrivono in Natura.

"L'energia di legame è su scala di radiofrequenza", afferma Luo, "È più di 10 ordini di grandezza più debole della tipica energia di legame chimico".

I ricercatori sperano ora di utilizzare STIRAP per creare tetrameri fortemente legati. Questo non sarà un compito facile, dice Luo, perché richiede un livello energetico intermedio adeguato, e i tetrameri hanno molti più livelli energetici dei dimeri. "Anche per me è una questione aperta se possiamo trovare uno stato adatto nella foresta dei livelli energetici", dice Luo. Se riuscissero, tuttavia, si aprirebbe l’allettante possibilità di ripetere la tecnica per costruire molecole sempre più grandi.

Le molecole entangled creano una nuova piattaforma qubit

I ricercatori stanno anche cercando di raffreddare ulteriormente le loro molecole in un condensato di Bose-Einstein (BEC). Diventerebbero quindi un potente strumento per studiare il crossover tra lo stato BEC e lo stato di superconduttività Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS). Questo crossover è fondamentale per comprendere la superconduttività ad alta temperatura. Un tale strumento consentirebbe ai fisici di sintonizzare i costituenti del condensato tra dimeri fermionici e tetrameri bosonici semplicemente sintonizzando il campo delle microonde. Ciò consentirebbe loro di trasformare un BEC in un gas di Fermi degenere che supporta le coppie di Cooper.

Più avanti nel futuro, il sistema potrebbe anche essere utile nell’informatica quantistica poiché le previsioni teoriche suggeriscono che dovrebbe supportare modalità zero Majorana topologicamente protette che potrebbero essere utilizzate per creare qubit resistenti al rumore.

Bohn descrive il lavoro di Luo e dei suoi colleghi come fantastico, aggiungendo: "Non solo è ben fatto, ma è qualcosa che molte persone sperano da molto tempo". Dopo aver letto il documento del gruppo del 2023, ha collaborato con due colleghi per sviluppare un quadro teorico, descritto in Physical Review Letters nel luglio 2023, per aver ottenuto l'elettroassociazione sulla base dei risultati del gruppo e per aver mostrato la velocità ideale con cui alterare i campi. "Mentre lo facevamo, loro avevano già fatto l'esperimento", dice; "Evidentemente l'hanno capito da soli."

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• Fonte: https://physicsworld.com/a/ultracold-four-atom-molecules-are-bound-by-electric-dipole-moments/