초저온 4원자 분자는 전기 쌍극자 모멘트로 묶여 있습니다.

이전의 3000개 원자 분자보다 2003배 이상 차갑고 약하게 결합된 XNUMX원자 분자가 새로 개발된 "전기 결합" 기술을 사용하여 생성되었습니다. XNUMX년 제안을 기반으로 한 이 연구는 초저온에서 더 큰 분자를 조립하고, 초유동성과 초전도성에 대한 연구를 시작하고, 양자 컴퓨팅에서 응용을 찾는 것을 가능하게 할 수 있습니다.

2003년 이론물리학자 존 본 콜로라도 볼더에 있는 JILA의 유명한 실험가가 이끄는 팀의 일원이었습니다. 데보라 진, 2015년에 사망했습니다. 그들은 초저온 페르미온 가스에 대한 자기장이 미치는 영향을 연구하고 있었습니다. 연구진은 결합 에너지가 분자의 결합 에너지와 동일한 소위 페쉬바흐 공명(Feshbach 공명)에 걸쳐 장의 값을 조정할 때 원자가 약하게 결합된 이원자 분자를 형성한다는 것을 발견했습니다. 이 과정은 이후 자기결합(magnetoassociation)으로 알려지게 되었습니다.

그러다가 2008년에 진과 그녀의 콜로라도 대학 동료가 이끄는 팀이 예준 STIRAP(Stimulated Raman Adiabatic Pass)라는 3단계 레이저 냉각 기술을 사용하여 이러한 깨지기 쉬운 이량체를 바닥 상태 분자로 변환하는 것을 입증했습니다. 두 가지 기술은 이후 수많은 다른 그룹에서 양자 화학 연구와 같은 다양한 응용 분야를 위한 초저온 이합체를 만드는 데 사용되었습니다.

그러나 자기결합은 자기 쌍극자 모멘트를 갖는 입자에서만 작동합니다. 즉, 짝을 이루지 않은 전자가 있어야 함을 의미합니다. 진의 그룹은 자성을 띠는 칼륨 원자를 연구하고 있었습니다. 일단 결합하여 이원자 칼륨 분자를 형성하면 더 이상 자기장에 반응하지 않습니다.

왜 전기결합이 아닌가?

같은 해 Bohn과 동료 알렉산드르 아브딘코프 전기 쌍극자 모멘트가 있는 경우 비자성 분자가 쌍을 이루도록 유도하는 것이 가능할 수 있음을 시사하는 이론적 논문을 발표했습니다. "자기 결합은 존재하는 것이므로 우리는 왜 전기 결합이 아닌가?"라고 생각했습니다. Bohn은 "우리는 그 이상은 생각하지 않았습니다."라고 말합니다.

그러나 2023년에는 Bohn의 원래 제안을 수정한 버전을 사용하여 루오 신유 독일의 막스 플랑크 양자 광학 연구소(Max Planck Institute for Quantum Optics)와 동료들은 진동하는 외부 마이크로파 장에 강력하게 결합된 초저온 나트륨 칼륨 분자(자기 결합 및 STIRAP에 의해 생성됨)를 배치했습니다. 특정 필드 값에서 그들은 이전에 분자 쌍 사이에서 볼 수 있었던 것과는 다른 공명 상태에 대한 분광학적 증거를 발견했습니다. 이 상태에서 두 분자는 자신의 전기 쌍극자 모멘트가 적용된 전위를 수정하면서 평행하게 춤을 추었습니다. 결과적인 상호작용은 짧은 거리에서는 반발력이 있었지만 장거리에서는 매력적이어서 개별 분자의 직경보다 약 1000배 더 큰 결합 상태를 초래했습니다. 그러나 당시 연구자들은 상태가 존재한다는 증거만 갖고 있었으며, 입자를 상태에 배치하는 통제된 수단은 없었습니다.

원형 편광 마이크로파

새로운 연구에서 중국 우한 대학의 막스 플랑크 연구원과 동료들은 장의 타원율을 증가시키기 전에 약 100nK의 온도에서 나트륨 칼륨 분자에 원형 편광 마이크로파 장을 적용함으로써 그 중 일부를 유도할 수 있음을 발견했습니다. 사량체를 형성합니다. 팀은 또한 사량체를 분리하고 방출된 이량체의 모양을 관찰하여 사량체 파동함수의 이미지를 만드는 데 성공했습니다. 그들은 이것을 다음과 같이 설명합니다. 자연.

"결합 에너지는 무선 주파수 규모입니다."라고 Luo는 말했습니다. "이것은 일반적인 화학 결합 에너지보다 10배 이상 더 약합니다."

연구자들은 이제 STIRAP을 사용하여 강력하게 결합된 사량체를 생성할 수 있기를 희망하고 있습니다. 적절한 중간 에너지 수준이 필요하고 사량체는 이량체보다 더 많은 에너지 수준을 갖기 때문에 이것은 쉬운 작업이 아니라고 Luo는 말했습니다. “저에게도 에너지 수준의 숲에서 적합한 상태를 찾을 수 있는지 여부는 공개된 질문입니다.”라고 Luo는 말합니다. 그러나 가능하다면 더 큰 분자를 만드는 기술을 반복할 수 있는 감질나는 가능성이 있습니다.

얽힌 분자는 새로운 큐비트 플랫폼을 만든다

연구자들은 또한 분자를 더 냉각시켜 보스-아인슈타인 응축물(BEC)로 만드는 방법을 모색하고 있습니다. 그런 다음 BEC 상태와 BCS(Bardeen-Cooper-Schrieffer) 초전도 상태 간의 교차를 연구하기 위한 강력한 도구가 될 것입니다. 이 교차는 고온 초전도성을 이해하는 데 중요합니다. 이러한 도구를 사용하면 물리학자들은 단순히 마이크로파장을 조정하여 페르미온 이량체와 보존 사량체 사이의 응축물의 구성 요소를 조정할 수 있습니다. 이를 통해 BEC를 쿠퍼 쌍을 지원하는 축퇴 페르미 가스로 전환할 수 있습니다.

이론적 예측에 따르면 잡음 방지 큐비트를 생성하는 데 사용할 수 있는 토폴로지적으로 보호된 마요라나 제로 모드를 지원해야 하기 때문에 이 시스템은 미래에 양자 컴퓨팅에도 유용할 수 있습니다.

Bohn은 Luo와 동료들의 작업이 환상적이라고 설명하면서 "잘 수행되었을 뿐만 아니라 많은 사람들이 오랫동안 바랐던 것"이라고 덧붙였습니다. 그룹의 2023년 논문을 읽은 후 그는 두 동료와 협력하여 이론적 프레임워크를 개발했습니다. 피지컬 리뷰 레터스 (Physical Review Letters) 2023년 XNUMX월, 그룹의 결과를 기반으로 전기 결합을 달성하고 필드를 변경하는 이상적인 속도를 보여줍니다. “우리가 그렇게 하는 동안 그들은 이미 실험을 했습니다.”라고 그는 말합니다. "분명히 그들은 스스로 그것을 잘 알아 냈습니다."

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