Ultrakalla fyratomsmolekyler är bundna av elektriska dipolmoment – ​​Physics World

Ultrakalla fyratomsmolekyler är bundna av elektriska dipolmoment – ​​Physics World

Tidsstämpel: 14 februari 2024 2:23

Tetratomiska ultrakalla molekyler
Ultrakall interaktion: konstnärligt intryck av två diatomiska molekyler sitter i en intermolekylär potential, här representerad av järnpulver som indikerar fältlinjerna genom vilka två molekyler är bundna. (Med tillstånd: Christoph Hohmann/MCQST)

Svagt bundna tetraatomiska molekyler som är mer än 3000 gånger kallare än någon tidigare fyraatomsmolekyl har skapats med hjälp av en nyutvecklad "elektroassociationsteknik". Arbetet, som bygger på ett förslag från 2003, skulle kunna göra det möjligt att sätta ihop ännu större molekyler vid ultrakalla temperaturer, öppna upp för studier i superfluiditet och supraledning och till och med hitta tillämpningar inom kvantberäkning.

2003, teoretisk fysiker John Bohn från JILA i Boulder, Colorado var en del av ett team ledd av den berömda experimentalisten Deborah Jin, som dog 2015. De studerade effekterna av magnetiska fält på ultrakalla fermioniska gaser. Forskarna upptäckte att atomerna bildade svagt bundna diatomiska molekyler när de justerade fältets värde över en så kallad Feshbach-resonans där bindningsenergin var lika med molekylernas. Denna process blev senare känd som magnetoassociation.

Sedan, 2008, ett team ledd av Jin och hennes kollega från University of Colorado Jun Ye demonstrerade omvandlingen av dessa ömtåliga dimerer till grundtillståndsmolekyler med hjälp av en laserkylningsteknik med tre nivåer som kallas stimulerad Raman adiabatisk passage (STIRAP). De två teknikerna har sedan använts av otaliga andra grupper för att skapa ultrakalla dimerer för en uppsjö av applikationer som studiet av kvantkemi.

Magnetoassociation fungerar dock bara på partiklar med magnetiska dipolmoment – ​​vilket innebär att de måste ha oparade elektroner. Jins grupp arbetade med kaliumatomer, som är magnetiska. När de väl associeras för att bilda diatomiska kaliummolekyler svarar de inte längre på magnetfält.

Varför inte elektroassociation?

Samma år, Bohn och kollega Aleksandr Avdeenkov publicerade en teoretisk artikel som antydde att det skulle vara möjligt att få icke-magnetiska molekyler att para ihop sig om de hade ett elektriskt dipolmoment: "Magnetoassociation var något som existerade, så vi tänkte, ja, varför inte elektroassociation?" säger Bohn, "Vi tänkte inte mer på det än så."

Men 2023, med hjälp av en modifierad version av Bohns ursprungliga förslag, Xin-Yu Luo från Max Planck Institute for Quantum Optics i Tyskland och kollegor placerade starkt bundna, ultrakalla natriumkaliummolekyler (framställda av magnetoassociation och STIRAP) i ett oscillerande externt mikrovågsfält. Vid specifika fältvärden fann de spektroskopiska bevis för ett resonant tillstånd som inte liknade något som tidigare setts mellan par av molekyler. I detta tillstånd dansade de två molekylerna parallellt när deras egna elektriska dipolmoment modifierade den applicerade potentialen. Den resulterande interaktionen var frånstötande på korta avstånd men attraktiv på långa avstånd, vilket resulterade i ett bundet tillstånd som var cirka 1000 gånger större än de individuella molekylernas diametrar. På den tiden hade forskarna dock bara bevis för att staten existerade – inte några kontrollerade medel för att placera partiklar i den.

Cirkulärt polariserade mikrovågor

I det nya arbetet fann Max Planck-forskarna och kollegorna vid Wuhan University i Kina att genom att applicera ett cirkulärt polariserat mikrovågsfält på natriumkaliummolekyler vid temperaturer runt 100 nK innan de ökade fältets ellipticitet, kunde de få några av dem att bildar tetramerer. Teamet lyckades också dissociera tetramererna och, genom att titta på formen på de frigjorda dimererna, avbilda tetramervågfunktionen. De beskriver detta i Natur.

"Bindningsenergin är radiofrekvent skala", säger Luo, "den är mer än 10 storleksordningar svagare än typisk kemisk bindningsenergi."

Forskarna hoppas nu kunna använda STIRAP för att skapa starkt bundna tetramerer. Det här kommer inte att vara någon lätt uppgift, säger Luo, eftersom det kräver en lämplig mellanenerginivå, och tetramerer har många fler energinivåer än dimerer. "Även för mig är det en öppen fråga om vi kan hitta ett lämpligt tillstånd i skogen av energinivåer", säger Luo. Om de kan, men det håller ut den lockande möjligheten att upprepa tekniken för att bygga allt större molekyler.

Forskarna försöker också kyla sina molekyler ytterligare till ett Bose-Einstein-kondensat (BEC). De skulle då bli ett kraftfullt verktyg för att studera korsningen mellan BEC-staten och Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) tillstånd av supraledning. Denna crossover är avgörande för att förstå supraledning vid hög temperatur. Ett sådant verktyg skulle tillåta fysiker att justera beståndsdelarna i kondensatet mellan fermioniska dimerer och bosoniska tetramerer helt enkelt genom att justera mikrovågsfältet. Detta skulle tillåta dem att förvandla en BEC till en degenererad Fermi-gas som stöder Cooper-par.

Längre in i framtiden kan systemet till och med vara användbart i kvantberäkning eftersom teoretiska förutsägelser tyder på att det bör stödja topologiskt skyddade Majorana-nolllägen som kan användas för att skapa brusresistenta qubits.

Bohn beskriver Luos och kollegors arbete som fantastiskt och tillägger "Det är inte bara bra gjort, utan det är något som många människor har hoppats på länge." Efter att ha läst gruppens uppsats från 2023, samarbetade han med två kollegor för att utveckla ett teoretiskt ramverk, beskrivet i Fysiska granskningsbrev i juli 2023, för att uppnå elektroassociation baserat på gruppens resultat, och visa den idealiska hastigheten för att ändra fälten. "Medan vi gjorde det gjorde de redan experimentet", säger han; "De har uppenbarligen kommit på det alldeles utmärkt på egen hand."

Tidsstämpel:

Mer från Fysikvärlden