מולקולות אולטרה-קרות בעלות ארבעה אטומים קשורות במומנטים דיפולים חשמליים - עולם הפיזיקה

מולקולות טטראטומיות קשורות חלש שהן יותר מפי 3000 קרות יותר מכל מולקולות ארבע אטומים קודמות נוצרו באמצעות טכניקת "אלקטרואסוציאציה" חדשה שפותחה. העבודה, שמתבססת על הצעה משנת 2003, יכולה לאפשר להרכיב מולקולות גדולות עוד יותר בטמפרטורות אולטרה-קרות, לפתוח מחקרים בנושא נזילות-על ומוליכות-על, ואף למצוא יישומים במחשוב קוונטי.

בשנת 2003, פיזיקאי תיאורטי ג'ון בוהן מ-JILA בבולדר, קולורדו היה חלק מצוות בראשות הנסיינית הנודעת דבורה ג'ין, שמת בשנת 2015. הם חקרו את ההשפעות של שדות מגנטיים על גזים פרמיוניים קרים במיוחד. החוקרים גילו שהאטומים יצרו מולקולות דיאטומיות קשורות בצורה חלשה כשהם מכוונים את ערך השדה על פני מה שנקרא תהודה פשבך שבה אנרגיית הקישור הייתה שווה לזו של המולקולות. תהליך זה נודע לאחר מכן בשם magnetoassociation.

ואז, ב-2008, צוות בראשות ג'ין ועמיתתה מאוניברסיטת קולורדו יוני יה הדגים את ההמרה של הדימרים השבירים הללו למולקולות במצב קרקע באמצעות טכניקת קירור לייזר תלת-מפלסית הנקראת מעבר רמאן אדיאבטי מעורר (STIRAP). שתי הטכניקות שימשו לאחר מכן על ידי אינספור קבוצות אחרות כדי ליצור דימרים קרים במיוחד עבור שפע של יישומים כגון חקר כימיה קוונטית.

עם זאת, מגנטו-אסוציאציה פועלת רק על חלקיקים בעלי מומנטים דיפול מגנטי - מה שאומר שהם חייבים להיות אלקטרונים לא מזווגים. הקבוצה של ג'ין עבדה עם אטומי אשלגן, שהם מגנטיים. ברגע שהם מתחברים ליצירת מולקולות אשלגן דו-אטומיות, הם כבר לא מגיבים לשדות מגנטיים.

למה לא אלקטרואסוציאציה?

באותה שנה, בוהן ועמית אלכסנדר אבדינקוב פרסם מאמר תיאורטי המציע שאולי אפשר לגרום למולקולות לא-מגנטיות להזדווג אם היה להן מומנט דיפול חשמלי: "מגנטו-אסוציאציה היה משהו שקיים, אז חשבנו, ובכן, למה לא אלקטרו-אסוציאציה?" אומר בוהן, "לא חשבנו על זה יותר מזה."

בשנת 2023, לעומת זאת, באמצעות גרסה שונה של ההצעה המקורית של בוהן, שין-יו לו ממכון מקס פלנק לאופטיקה קוונטית בגרמניה ועמיתיו הציבו מולקולות נתרן אשלגן נתרן קרה במיוחד (המיוצרות על ידי magnetoassociation ו-STIRAP) בשדה מיקרוגל חיצוני מתנודד. בערכי שדה ספציפיים, הם מצאו עדויות ספקטרוסקופיות למצב תהודה שלא דומה לשום דבר שנראה בעבר בין זוגות של מולקולות. במצב זה שתי המולקולות רקדו במקביל כאשר מומנטי הדיפול החשמלי שלהן שינו את הפוטנציאל המופעל. האינטראקציה שהתקבלה הייתה דוחה במרחקים קצרים אך מושכת למרחקים ארוכים, וכתוצאה מכך מצב קשור שהיה גדול בערך פי 1000 מהקטרים ​​של המולקולות הבודדות. עם זאת, באותו זמן, לחוקרים היו רק עדויות לכך שהמדינה קיימת - לא כל אמצעי מבוקר להכניס לתוכה חלקיקים.

מיקרוגלים מקוטבים בצורה מעגלית

בעבודה החדשה, החוקרים ועמיתיו של מקס פלאנק מאוניברסיטת ווהאן בסין מצאו כי על ידי הפעלת שדה מיקרוגל מקוטב מעגלי על מולקולות נתרן אשלגן בטמפרטורות סביב 100 nK לפני הגדלת האליפטיות של השדה, הם יכולים לגרום לחלק מהן יוצרים טטרמרים. הצוות גם הצליח לנתק את הטטרמרים, ועל ידי התבוננות בצורת הדימרים ששוחררו, לדמיין את פונקציית גל הטטרמר. הם מתארים זאת ב טבע.

"אנרגיית הקישור היא סולם תדר רדיו", אומר לואו, "היא חלשה ביותר מ-10 סדרי גודל מאנרגיית קשר כימי טיפוסית."

החוקרים מקווים כעת להשתמש ב-STIRAP כדי ליצור טטרמרים הקשורים בחוזקה. זו תהיה משימה לא קלה, אומר לואו, מכיוון שהיא דורשת רמת אנרגיה בינונית מתאימה, ולטטמרים יש הרבה יותר רמות אנרגיה מאשר לדימרים. "אפילו עבורי זו שאלה פתוחה אם נוכל למצוא מצב מתאים ביער של רמות אנרגיה", אומר לואו. אם הם יכולים, לעומת זאת, זה מחזיק את האפשרות המפתה לחזור על הטכניקה לבניית מולקולות גדולות יותר.

מולקולות מסובכות מייצרות פלטפורמת קיוביט חדשה

החוקרים גם מחפשים לקרר את המולקולות שלהם עוד יותר לתוך עיבוי Bose-Einstein (BEC). לאחר מכן הם יהפכו לכלי רב עוצמה לחקר ההצלבה בין מדינת BEC לבין מצב מוליכות-על של ברדין-קופר-שריפר (BCS). הצלבה זו חיונית להבנת מוליכות-על בטמפרטורה גבוהה. כלי כזה יאפשר לפיסיקאים לכוון את מרכיבי הקונדנסט בין דימרים פרמיוניים ולטטרמרים בוזוניים פשוט על ידי כוונון שדה המיקרוגל. זה יאפשר להם להפוך BEC לגז פרמי מנוון שתומך בזוגות קופר.

בהמשך העתיד, המערכת יכולה אפילו להיות שימושית במחשוב קוונטי שכן תחזיות תיאורטיות מצביעות על כך שהיא צריכה לתמוך במצבי Majorana אפס מוגנים טופולוגית שניתן להשתמש בהם כדי ליצור קיוביטים עמידים לרעש.

בוהן מתאר את עבודתם של לואו ועמיתיו כפנטסטית, ומוסיף "לא רק שזה עשוי היטב, אלא שזה משהו שהרבה אנשים קיוו לו במשך זמן רב." לאחר קריאת המאמר של הקבוצה משנת 2023, הוא שיתף פעולה עם שני עמיתים כדי לפתח מסגרת תיאורטית, המתוארת ב מכתבי סקירה פיזית ביולי 2023, על השגת אלקטרואסוציאציה בהתבסס על תוצאות הקבוצה, והצגת הקצב האידיאלי שבו ניתן לשנות את השדות. "בזמן שעשינו את זה, הם כבר עשו את הניסוי", הוא אומר; "ברור שהם הבינו את זה בסדר בעצמם."

• הפצת תוכן ויחסי ציבור מופעל על ידי SEO. קבל הגברה היום.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. העצים את עצמך. גישה כאן.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. הידע מוגבר. גישה כאן.
• PlatoESG. פחמן, קלינטק, אנרגיה, סביבה, שמש, ניהול פסולת. גישה כאן.
• PlatoHealth. מודיעין ביוטכנולוגיה וניסויים קליניים. גישה כאן.
• מקור: https://physicsworld.com/a/ultracold-four-atom-molecules-are-bound-by-electric-dipole-moments/