โมเลกุลสี่อะตอมที่เย็นจัดนั้นถูกพันธะด้วยโมเมนต์ไดโพลไฟฟ้า - โลกฟิสิกส์

โมเลกุลสี่อะตอมที่เย็นจัดนั้นถูกพันธะด้วยโมเมนต์ไดโพลไฟฟ้า - โลกฟิสิกส์

ประทับเวลา: 14 กุมภาพันธ์ 2024 2:23 น

โมเลกุลเย็นเฉียบแบบเตตระอะตอม
ปฏิสัมพันธ์ที่เย็นจัด: ความประทับใจทางศิลปะของโมเลกุลไดอะตอมมิกสองโมเลกุลที่อยู่ในศักย์ระหว่างโมเลกุล ซึ่งแสดงด้วยผงเหล็กซึ่งบ่งบอกถึงเส้นสนามที่โมเลกุลทั้งสองเกาะกัน (เอื้อเฟื้อโดย: คริสตอฟ โฮห์มันน์/MCQST)

โมเลกุลเตตระอะตอมิกที่ถูกยึดอย่างอ่อนซึ่งเย็นกว่าโมเลกุลสี่อะตอมก่อนหน้านี้มากกว่า 3000 เท่าถูกสร้างขึ้นโดยใช้เทคนิค "การเชื่อมโยงด้วยไฟฟ้า" ที่พัฒนาขึ้นใหม่ งานนี้มีพื้นฐานมาจากข้อเสนอในปี 2003 อาจทำให้สามารถประกอบโมเลกุลขนาดใหญ่ขึ้นได้ที่อุณหภูมิเย็นจัด เปิดการศึกษาเกี่ยวกับความเป็นของเหลวยิ่งยวดและความเป็นตัวนำยิ่งยวด และแม้แต่ค้นหาการประยุกต์ใช้ในการคำนวณควอนตัม

ในปี พ.ศ. 2003 นักฟิสิกส์เชิงทฤษฎี จอห์น โบห์น ของ JILA ในเมืองโบลเดอร์ รัฐโคโลราโด เป็นส่วนหนึ่งของทีมที่นำโดยนักทดลองที่มีชื่อเสียง เดโบราห์ จินซึ่งเสียชีวิตในปี 2015 พวกเขากำลังศึกษาผลกระทบของสนามแม่เหล็กที่มีต่อก๊าซเฟอร์ไมโอนิกที่มีความเย็นจัด นักวิจัยค้นพบว่าอะตอมก่อตัวเป็นโมเลกุลไดอะตอมมิกที่มีพันธะอ่อนแอเมื่อพวกเขาปรับค่าของสนามผ่านสิ่งที่เรียกว่าเรโซแนนซ์ Feshbach ซึ่งพลังงานที่ยึดเหนี่ยวจะเท่ากับของโมเลกุล กระบวนการนี้ต่อมากลายเป็นที่รู้จักในชื่อสมาคมแม่เหล็ก

จากนั้นในปี 2008 ทีมงานที่นำโดยจินและเพื่อนร่วมงานของเธอที่มหาวิทยาลัยโคโลราโด จุน เย่ สาธิตการแปลงไดเมอร์ที่เปราะบางเหล่านี้เป็นโมเลกุลสถานะพื้นโดยใช้เทคนิคการทำความเย็นด้วยเลเซอร์สามระดับที่เรียกว่า Raman adiabatic Passage (STIRAP) ต่อมากลุ่มอื่นๆ จำนวนนับไม่ถ้วนได้ใช้เทคนิคทั้งสองนี้เพื่อสร้างไดเมอร์แบบเย็นพิเศษสำหรับการใช้งานมากมาย เช่น การศึกษาเคมีควอนตัม

อย่างไรก็ตาม การเชื่อมโยงด้วยแมกนีโตจะเกิดขึ้นกับอนุภาคที่มีโมเมนต์ไดโพลแม่เหล็กเท่านั้น ซึ่งหมายความว่าพวกมันจะต้องมีอิเล็กตรอนที่ไม่มีคู่ กลุ่มของจินกำลังทำงานกับอะตอมของโพแทสเซียมซึ่งเป็นแม่เหล็ก เมื่อพวกมันเชื่อมโยงกันเพื่อสร้างโมเลกุลโพแทสเซียมไดอะตอมมิก พวกมันจะไม่ตอบสนองต่อสนามแม่เหล็กอีกต่อไป

ทำไมไม่ทำการเชื่อมโยงด้วยไฟฟ้า?

ในปีเดียวกันนั้น Bohn และเพื่อนร่วมงาน อเล็กซานเดอร์ อาฟดีนคอฟ ตีพิมพ์บทความทางทฤษฎีที่เสนอว่าอาจเป็นไปได้ที่จะชักนำให้โมเลกุลที่ไม่ใช่แม่เหล็กจับคู่กันหากมีโมเมนต์ไดโพลไฟฟ้า: “การเชื่อมโยงด้วยแม่เหล็กเป็นสิ่งที่มีอยู่จริง ดังนั้นเราจึงคิดว่า ทำไมไม่เชื่อมโยงด้วยไฟฟ้าล่ะ?” โบห์นกล่าวว่า “เราไม่ได้คิดอะไรมากไปกว่านี้”

อย่างไรก็ตาม ในปี 2023 เมื่อใช้ข้อเสนอเดิมของ Bohn เวอร์ชันแก้ไข ซินหยูหลัว ของสถาบัน Max Planck สำหรับ Quantum Optics ในประเทศเยอรมนีและเพื่อนร่วมงานได้วางโมเลกุลโซเดียมโพแทสเซียมที่เย็นจัดเป็นพิเศษ (ผลิตโดยสมาคมแม่เหล็กและ STIRAP) ไว้ในสนามไมโครเวฟภายนอกที่สั่นไหว ที่ค่าฟิลด์เฉพาะ พวกเขาพบหลักฐานทางสเปกโทรสโกปีของสถานะเรโซแนนซ์ซึ่งไม่เหมือนสิ่งใดๆ ที่เคยพบเห็นระหว่างคู่โมเลกุล ในสถานะนี้ โมเลกุลทั้งสองเต้นขนานกันในขณะที่โมเมนต์ไดโพลไฟฟ้าของพวกมันเองได้ปรับเปลี่ยนศักยภาพที่ใช้ ปฏิสัมพันธ์ที่เกิดขึ้นนั้นน่ารังเกียจในระยะทางสั้น ๆ แต่น่าดึงดูดในระยะทางไกล ส่งผลให้เกิดสภาวะผูกพันที่ใหญ่กว่าเส้นผ่านศูนย์กลางของแต่ละโมเลกุลประมาณ 1000 เท่า อย่างไรก็ตาม ในเวลานั้น นักวิจัยมีเพียงหลักฐานที่แสดงว่ารัฐนั้นมีอยู่จริงเท่านั้น ไม่มีวิธีการควบคุมใด ๆ ในการใส่อนุภาคลงไป

ไมโครเวฟโพลาไรซ์แบบวงกลม

ในงานใหม่นี้ นักวิจัยของ Max Planck และเพื่อนร่วมงานที่มหาวิทยาลัยหวู่ฮั่นในประเทศจีนพบว่าด้วยการใช้สนามไมโครเวฟโพลาไรซ์แบบวงกลมกับโมเลกุลโซเดียมโพแทสเซียมที่อุณหภูมิประมาณ 100 nK ก่อนที่จะเพิ่มรูปรีของสนาม พวกเขาสามารถกระตุ้นให้บางส่วนเกิด แบบฟอร์ม tetramers ทีมงานยังสามารถแยกตัวเตตระเมอร์ออกจากกันได้ และเมื่อดูที่รูปร่างของไดเมอร์ที่ปล่อยออกมา ก็จะนึกภาพฟังก์ชันคลื่นของเตตระเมอร์ได้ พวกเขาอธิบายสิ่งนี้ใน ธรรมชาติ.

“พลังงานยึดเหนี่ยวคือระดับความถี่วิทยุ” Luo กล่าว “มันมีขนาดมากกว่า 10 เท่าซึ่งอ่อนกว่าพลังงานพันธะเคมีทั่วไป”

ขณะนี้นักวิจัยหวังว่าจะใช้ STIRAP เพื่อสร้าง tetramers ที่มีความผูกพันอย่างแน่นหนา นี่จะไม่ใช่เรื่องง่าย Luo กล่าว เนื่องจากต้องใช้ระดับพลังงานระดับกลางที่เหมาะสม และเตตระเมอร์ก็มีระดับพลังงานมากกว่าไดเมอร์หลายระดับ “สำหรับฉัน มันเป็นคำถามเปิดกว้างว่าเราจะพบสภาวะที่เหมาะสมในป่าแห่งระดับพลังงานได้หรือไม่” Luo กล่าว อย่างไรก็ตาม หากทำได้ ก็มีโอกาสที่จะทำซ้ำเทคนิคนี้เพื่อสร้างโมเลกุลที่ใหญ่ขึ้นเรื่อยๆ

นักวิจัยยังต้องการทำให้โมเลกุลของพวกเขาเย็นลงจนกลายเป็นคอนเดนเสท Bose-Einstein (BEC) จากนั้นพวกเขาก็จะกลายเป็นเครื่องมืออันทรงพลังในการศึกษาครอสโอเวอร์ระหว่างสถานะ BEC และสถานะตัวนำยิ่งยวดของ Bardeen–Cooper–Schrieffer (BCS) ครอสโอเวอร์นี้มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการทำความเข้าใจความเป็นตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิสูง เครื่องมือดังกล่าวจะช่วยให้นักฟิสิกส์ปรับแต่งองค์ประกอบของคอนเดนเสทระหว่างเฟอร์ไมโอนิกไดเมอร์และโบโซนิกเตตระเมอร์ได้ง่ายๆ โดยการปรับสนามไมโครเวฟ สิ่งนี้จะช่วยให้พวกเขาเปลี่ยน BEC ให้เป็นก๊าซ Fermi ที่เสื่อมสภาพซึ่งรองรับคู่ของ Cooper

นอกจากนี้ในอนาคต ระบบอาจมีประโยชน์ในการคำนวณควอนตัมด้วย เนื่องจากการคาดการณ์ทางทฤษฎีแนะนำว่าควรสนับสนุนโหมดศูนย์ Majorana ที่มีการป้องกันทางทอพอโลยี ซึ่งสามารถใช้สร้างคิวบิตที่ทนทานต่อเสียงรบกวนได้

โบห์นบรรยายถึงผลงานของหลัวและเพื่อนร่วมงานว่ายอดเยี่ยมมาก โดยเสริมว่า “ไม่เพียงแต่ทำได้ดีเท่านั้น แต่ยังเป็นสิ่งที่ผู้คนจำนวนมากคาดหวังมานานแล้ว” หลังจากอ่านรายงานของกลุ่มในปี 2023 เขาได้ร่วมมือกับเพื่อนร่วมงานสองคนเพื่อพัฒนากรอบการทำงานทางทฤษฎีตามที่อธิบายไว้ใน จดหมายทางกายภาพความคิดเห็น ในเดือนกรกฎาคม พ.ศ. 2023 เพื่อให้บรรลุการเชื่อมโยงไฟฟ้าตามผลลัพธ์ของกลุ่ม และแสดงอัตราที่เหมาะสมในการเปลี่ยนแปลงสาขา “ในขณะที่เราทำแบบนั้น พวกเขาก็ได้ทำการทดลองไปแล้ว” เขากล่าว “เห็นได้ชัดว่าพวกเขาคิดเรื่องนี้ได้ดีด้วยตัวเอง”

ประทับเวลา:

เพิ่มเติมจาก โลกฟิสิกส์

เคยรู้สึกว่าประสบการณ์ของมนุษย์ทั่วไปของคุณกำลังถูกลดทอนสิทธิ์หรือไม่? มันเป็นความผิดของ 'ผู้จุดไฟทางวิทยาศาสตร์'

คลัสเตอร์ต้นทาง:
โหนดต้นทาง: 1764857
ประทับเวลา: พฤศจิกายน 30, 2022