Các phân tử bốn nguyên tử cực lạnh bị ràng buộc bởi mô men lưỡng cực điện – Vật lý Thế giới

Các phân tử bốn nguyên tử cực lạnh bị ràng buộc bởi mô men lưỡng cực điện – Vật lý Thế giới

Dấu thời gian: 14 tháng 2024 năm 2 23:XNUMX CH

Phân tử cực lạnh tứ nguyên
Tương tác cực lạnh: ấn tượng nghệ thuật về hai phân tử hai nguyên tử nằm trong một thế năng liên phân tử, ở đây được biểu thị bằng bột sắt biểu thị các đường sức mà qua đó hai phân tử được liên kết với nhau. (Ảnh: Christoph Hohmann/MCQST)

Các phân tử tứ nguyên liên kết yếu lạnh hơn 3000 lần so với bất kỳ phân tử bốn nguyên tử nào trước đây đã được tạo ra bằng kỹ thuật “liên kết điện” mới được phát triển. Công trình dựa trên đề xuất năm 2003 có thể giúp lắp ráp các phân tử lớn hơn nữa ở nhiệt độ cực lạnh, mở ra các nghiên cứu về tính siêu lỏng và siêu dẫn, thậm chí tìm ra các ứng dụng trong điện toán lượng tử.

Năm 2003, nhà vật lý lý thuyết John Bohn của JILA ở Boulder, Colorado là thành viên của một nhóm do nhà thực nghiệm nổi tiếng dẫn đầu Deborah Jin, người đã chết vào năm 2015. Họ đang nghiên cứu tác động của từ trường lên các khí fermionic cực lạnh. Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng các nguyên tử hình thành các phân tử hai nguyên tử liên kết yếu khi chúng điều chỉnh giá trị của trường qua cái gọi là cộng hưởng Feshbach, tại đó năng lượng liên kết bằng năng lượng của các phân tử. Quá trình này sau đó được gọi là từ kết hợp.

Sau đó, vào năm 2008, một nhóm do Jin và đồng nghiệp của cô ở Đại học Colorado dẫn đầu tháng sáu đã chứng minh sự chuyển đổi các chất điều chỉnh độ sáng mỏng manh này thành các phân tử ở trạng thái cơ bản bằng cách sử dụng kỹ thuật làm mát bằng laser ba cấp độ được gọi là đoạn nhiệt Raman kích thích (STIRAP). Hai kỹ thuật này sau đó đã được vô số nhóm khác sử dụng để tạo ra các bộ điều chỉnh độ sáng cực lạnh cho rất nhiều ứng dụng như nghiên cứu hóa học lượng tử.

Tuy nhiên, sự kết hợp từ chỉ hoạt động trên các hạt có mô men lưỡng cực từ – nghĩa là chúng phải có các electron chưa ghép cặp. Nhóm của Jin đang nghiên cứu các nguyên tử kali có từ tính. Một khi chúng liên kết để tạo thành các phân tử kali hai nguyên tử, chúng sẽ không còn phản ứng với từ trường nữa.

Tại sao không liên kết điện?

Cùng năm đó, Bohn và đồng nghiệp Aleksandr Avdeenkov đã xuất bản một bài báo lý thuyết gợi ý rằng có thể tạo ra các phân tử không từ tính để ghép đôi nếu chúng có mômen lưỡng cực điện: “Liên kết từ là một thứ đã tồn tại, vì vậy chúng tôi nghĩ, à, tại sao không liên kết điện?” Bohn nói, “Chúng tôi không suy nghĩ nhiều hơn thế.”

Tuy nhiên, vào năm 2023, bằng cách sử dụng phiên bản sửa đổi của đề xuất ban đầu của Bohn, Xin-Yu Luo của Viện Quang học Lượng tử Max Planck ở Đức và các đồng nghiệp đã đặt các phân tử natri kali cực lạnh, liên kết mạnh (được tạo ra bởi sự liên kết từ và STIRAP) trong một trường vi sóng dao động bên ngoài. Ở các giá trị trường cụ thể, họ tìm thấy bằng chứng quang phổ về trạng thái cộng hưởng không giống bất cứ điều gì từng thấy trước đây giữa các cặp phân tử. Ở trạng thái này, hai phân tử nhảy song song khi mômen lưỡng cực điện của chính chúng làm thay đổi điện thế ứng dụng. Tương tác thu được là lực đẩy ở khoảng cách ngắn nhưng lại hấp dẫn ở khoảng cách xa, dẫn đến trạng thái liên kết lớn hơn khoảng 1000 lần so với đường kính của từng phân tử. Tuy nhiên, vào thời điểm đó, các nhà nghiên cứu chỉ có bằng chứng cho thấy trạng thái đó tồn tại – không có bất kỳ phương tiện được kiểm soát nào để đặt các hạt vào đó.

Vi sóng phân cực tròn

Trong nghiên cứu mới, các nhà nghiên cứu Max Planck và đồng nghiệp tại Đại học Vũ Hán ở Trung Quốc phát hiện ra rằng, bằng cách áp dụng trường vi sóng phân cực tròn vào các phân tử natri kali ở nhiệt độ khoảng 100 nK trước khi tăng độ elip của trường, họ có thể khiến một số trong số chúng chuyển động. tạo thành các tetramer. Nhóm nghiên cứu cũng đã tìm cách tách các tetramer và bằng cách nhìn vào hình dạng của các dimer được giải phóng, họ có thể hình dung ra hàm sóng tetramer. Họ mô tả điều này trong Thiên nhiên.

Luo cho biết: “Năng lượng liên kết có thang tần số vô tuyến. Nó yếu hơn 10 bậc độ lớn so với năng lượng liên kết hóa học thông thường”.

Các nhà nghiên cứu hiện hy vọng có thể sử dụng STIRAP để tạo ra các tetramer có liên kết mạnh. Luo cho biết đây không phải là một nhiệm vụ dễ dàng vì nó đòi hỏi mức năng lượng trung gian phù hợp và các tetramer có nhiều mức năng lượng hơn các dimer. Luo nói: “Ngay cả đối với tôi, đó vẫn là một câu hỏi mở liệu chúng ta có thể tìm thấy một trạng thái phù hợp trong rừng các mức năng lượng hay không”. Tuy nhiên, nếu họ có thể, thì sẽ có khả năng lặp lại kỹ thuật này để tạo ra các phân tử ngày càng lớn hơn.

Các nhà nghiên cứu cũng đang tìm cách làm lạnh thêm các phân tử của họ thành chất ngưng tụ Bose–Einstein (BEC). Khi đó chúng sẽ trở thành một công cụ mạnh mẽ để nghiên cứu sự giao thoa giữa trạng thái BEC và trạng thái siêu dẫn Bardeen–Cooper–Schrieffer (BCS). Sự giao thoa này rất quan trọng để hiểu được tính siêu dẫn nhiệt độ cao. Một công cụ như vậy sẽ cho phép các nhà vật lý điều chỉnh các thành phần của chất ngưng tụ giữa các dimer fermionic và các tetramer bosonic chỉ bằng cách điều chỉnh trường vi sóng. Điều này sẽ cho phép họ biến BEC thành khí Fermi suy biến hỗ trợ các cặp Cooper.

Xa hơn trong tương lai, hệ thống này thậm chí có thể hữu ích trong điện toán lượng tử vì các dự đoán lý thuyết cho thấy nó sẽ hỗ trợ các chế độ Majorana zero được bảo vệ về mặt cấu trúc có thể được sử dụng để tạo ra các qubit chống nhiễu.

Bohn mô tả công việc của Luo và các đồng nghiệp là tuyệt vời, đồng thời nói thêm “Nó không chỉ được thực hiện tốt mà còn là điều mà rất nhiều người đã mong đợi từ lâu”. Sau khi đọc bài báo năm 2023 của nhóm, ông cộng tác với hai đồng nghiệp để phát triển khung lý thuyết, được mô tả trong Physical Review Letters vào tháng 2023 năm XNUMX, để đạt được sự liên kết điện dựa trên kết quả của nhóm và chỉ ra tốc độ lý tưởng để thay đổi trường. “Trong khi chúng tôi đang làm điều đó, họ đã thực hiện thí nghiệm đó rồi,” anh ấy nói; “Rõ ràng là họ đã tự mình tìm ra điều đó.”

Dấu thời gian:

Thêm từ Thế giới vật lý