Ультрахолодные четырехатомные молекулы связаны электрическими дипольными моментами

Слабосвязанные четырехатомные молекулы, которые более чем в 3000 раз холоднее, чем любые предыдущие четырехатомные молекулы, были созданы с использованием недавно разработанного метода «электроассоциации». Работа, основанная на предложении 2003 года, может позволить собирать еще более крупные молекулы при ультрахолодных температурах, открыть возможности для исследований сверхтекучести и сверхпроводимости и даже найти применение в квантовых вычислениях.

В 2003 году физик-теоретик Джон Бон JILA в Боулдере, штат Колорадо, был частью команды, возглавляемой известным экспериментатором Дебора Джин, умершего в 2015 году. Они изучали влияние магнитных полей на ультрахолодные фермионные газы. Исследователи обнаружили, что атомы образовывали слабосвязанные двухатомные молекулы, когда настраивали величину поля по так называемому резонансу Фешбаха, при котором энергия связи была равна энергии связи молекул. Этот процесс впоследствии стал известен как магнитоассоциация.

Затем, в 2008 году, команда под руководством Джин и ее коллеги из Университета Колорадо Джун Йе продемонстрировали преобразование этих хрупких димеров в молекулы основного состояния с помощью метода трехуровневого лазерного охлаждения, называемого стимулированным рамановским адиабатическим прохождением (STIRAP). Эти два метода впоследствии были использованы бесчисленным множеством других групп для создания ультрахолодных димеров для множества приложений, таких как изучение квантовой химии.

Однако магнитоассоциация работает только с частицами с магнитными дипольными моментами, а это означает, что они должны иметь неспаренные электроны. Группа Джина работала с атомами калия, обладающими магнитными свойствами. Как только они объединяются с образованием двухатомных молекул калия, они больше не реагируют на магнитные поля.

Почему не электроассоциация?

В том же году Бон и его коллеги Александр Авдеенков опубликовал теоретическую статью, в которой предполагалось, что можно было бы заставить немагнитные молекулы образовываться в пары, если бы они имели электрический дипольный момент: «Магнитоассоциация существовала, поэтому мы подумали: а почему бы не электроассоциация?» — говорит Бон. — Мы больше об этом не думали.

Однако в 2023 году, используя модифицированную версию первоначального предложения Бона, Синь-Ю Луо из Института квантовой оптики Макса Планка в Германии и его коллеги поместили прочносвязанные ультрахолодные молекулы натрия и калия (полученные с помощью магнитоассоциации и STIRAP) в колеблющееся внешнее микроволновое поле. При определенных значениях поля они обнаружили спектроскопические доказательства резонансного состояния, не похожего ни на что ранее наблюдавшееся между парами молекул. В этом состоянии две молекулы танцевали параллельно, поскольку их собственные электрические дипольные моменты изменяли приложенный потенциал. В результате взаимодействие было отталкивающим на коротких расстояниях, но притягивающим на больших, в результате чего связанное состояние было примерно в 1000 раз больше диаметра отдельных молекул. Однако в то время у исследователей были только доказательства существования этого состояния, а не какие-либо контролируемые средства для помещения в него частиц.

Микроволны с круговой поляризацией

В новой работе исследователи Макса Планка и их коллеги из Уханьского университета в Китае обнаружили, что, применяя микроволновое поле с круговой поляризацией к молекулам натрия и калия при температуре около 100 нК, а затем увеличивая эллиптичность поля, они могут заставить некоторые из них образуют тетрамеры. Команде также удалось диссоциировать тетрамеры и, глядя на форму высвободившихся димеров, представить волновую функцию тетрамера. Они описывают это в природа.

«Энергия связи имеет радиочастотный диапазон, — говорит Луо. — Она более чем на 10 порядков слабее, чем типичная энергия химической связи».

Теперь исследователи надеются использовать STIRAP для создания прочносвязанных тетрамеров. Это будет непростая задача, говорит Луо, потому что для этого требуется подходящий промежуточный энергетический уровень, а у тетрамеров гораздо больше энергетических уровней, чем у димеров. «Даже для меня это открытый вопрос, сможем ли мы найти подходящее состояние в лесу энергетических уровней», — говорит Луо. Однако, если им это удастся, у них появится заманчивая возможность повторить эту технику для создания еще более крупных молекул.

Запутанные молекулы создают новую платформу кубитов

Исследователи также стремятся дополнительно охладить свои молекулы до состояния бозе-эйнштейновского конденсата (БЭК). Затем они станут мощным инструментом для изучения перехода между состоянием БЭК и состоянием сверхпроводимости Бардина-Купера-Шриффера (БКС). Этот переход имеет решающее значение для понимания высокотемпературной сверхпроводимости. Такой инструмент позволил бы физикам настраивать компоненты конденсата между фермионными димерами и бозонными тетрамерами, просто настраивая микроволновое поле. Это позволило бы им превратить БЭК в вырожденный ферми-газ, поддерживающий куперовские пары.

В будущем система может даже оказаться полезной в квантовых вычислениях, поскольку теоретические предсказания предполагают, что она должна поддерживать топологически защищенные нулевые моды Майораны, которые можно использовать для создания шумоустойчивых кубитов.

Бон описывает работу Луо и его коллег как фантастическую, добавляя: «Она не только хорошо сделана, но и является тем, на что многие люди надеялись в течение долгого времени». Прочитав документ группы от 2023 года, он вместе с двумя коллегами разработал теоретическую основу, описанную в Physical Review Letters, в июле 2023 года за достижение электроассоциации на основе результатов группы и показ идеальной скорости изменения полей. «Пока мы это делали, они уже провели эксперимент», — говорит он; «Очевидно, они прекрасно это поняли сами».

• SEO-контент и PR-распределение. Получите усиление сегодня.
• PlatoData.Network Вертикальный генеративный ИИ. Расширьте возможности себя. Доступ здесь.
• ПлатонАйСтрим. Интеллект Web3. Расширение знаний. Доступ здесь.
• ПлатонЭСГ. Углерод, чистые технологии, Энергия, Окружающая среда, Солнечная, Управление отходами. Доступ здесь.
• ПлатонЗдоровье. Биотехнологии и клинические исследования. Доступ здесь.
• Источник: https://physicsworld.com/a/ultracold-four-atom-molecules-are-bound-by-electric-dipole-moments/