Egyedülálló kvantumállapot jelenik meg Kolumbiában

Fizikusok bent Columbia Egyetem Új, ultrahideg szélsőségbe vitték a molekulákat, és olyan halmazállapotot hoztak létre, amelyben a kvantummechanika uralkodik.

Van egy izgalmas új BEC a városban, aminek semmi köze a szalonnához, a tojáshoz és a sajthoz. Nem a helyi áruházban találja meg, hanem New York leghidegebb helyén: Sebastian Weyl fizikus laboratóriumában, a Columbia Egyetemen, akinek kísérleti csoportja atomok és molekulák csak egy fokkal magasabb hőmérsékletre tolására specializálódott. Abszolút nulla.

ird be természeta Weyl Lab a holland Radboud Egyetem elméleti munkatársának, Tijs Karmannak a támogatásával sikeresen létrehozta az anyag egyedi kvantumállapotát, amelyet Bose-Einstein kondenzátumnak (BEC) neveznek molekulákból.

Áttörés a Bose-Einstein kondenzátumokban

BEC-jük mindössze öt nanokelvinre, azaz körülbelül -459,66 Fahrenheit-fokra van lehűtve, rendkívül hosszú két másodpercig stabil, és nátrium- és céziummolekulákból áll. A vízmolekulákhoz hasonlóan ezek a molekulák polárisak, azaz pozitív és negatív töltést is hordoznak. Weil megjegyezte, hogy az elektromos töltés kiegyensúlyozatlan eloszlása ​​megkönnyíti a nagy hatótávolságú kölcsönhatásokat, amelyek a legérdekesebb fizikát alkotják.

A Weill Lab által a Bose-Einstein Molecular segítségével folytatott kutatások során számos különböző kvantumjelenség, köztük a szuperfolyékonyság új típusai, egy olyan állapot, amely súrlódás nélkül áramlik. Azt is remélik, hogy a Bose-Einstein-szimulátorokat olyan szimulátorokká alakítják, amelyek újrateremthetik bonyolultabb anyagok, például szilárd kristályok rejtélyes kvantumtulajdonságait.

A Columbia fizikusai a mikrohullámú sütők segítségével létrehoztak egy Bose-Einstein kondenzátumot, egy egyedülálló halmazállapotot nátrium- és céziummolekulákból. A kép jóváírása: Well Lab, Columbia Egyetem/Miles Marshall

„A molekuláris Bose-Einstein kondenzátumok teljesen új kutatási területeket nyitnak meg, az alapvető fizika valódi megértésétől a hatékony kvantumszimulációk kifejlesztéséig” – mondta. „Ez egy izgalmas teljesítmény, de valójában ez csak a kezdet.”

Ez egy valóra vált álom a Weill Lab számára, és egy évtizede készül a nagyobb ultrahideg kutatási közösség számára.

Ultrahideg molekulák, egy évszázada készülőben

A BEC-ek tudománya egy évszázadra nyúlik vissza Satyendra Nath Bose és Albert Einstein fizikusokig. Az 1924-ben és 1925-ben publikált cikkek sorozatában azt jósolták, hogy a közel álló helyzetig lehűtött részecskék gyűjteménye egyetlen, nagyobb atommá egyesül, amelyek közös tulajdonságait és viselkedését a kvantummechanika törvényei diktálják. Ha sikerülne létrehozni a BEC-ket, akkor vonzó platformot biztosítanának a kutatóknak a kvantummechanika könnyebben hozzáférhető méretekben való felfedezéséhez, mint az egyes atomok vagy molekulák.

Körülbelül 70 év telt el az első elméleti jóslatok óta, de az első atomi BEC-ket 1995-ben hozták létre. Ezt az eredményt 2001-ben fizikai Nobel-díjjal ismerték el, körülbelül akkor, amikor Weyl a Mainzi Egyetemen kezdett fizikával foglalkozni. Németországban. A laboratóriumok ma már rutinszerűen állítanak elő Bose-Einstein atomokat számos különböző típusú atomból. Ezek a BEC-ek kibővítették az olyan fogalmak megértését, mint az anyag hullámtermészete és a szuperfolyadékok, és olyan technológiák kifejlesztéséhez vezettek, mint a kvantumgázmikroszkópok és kvantumszimulátorok, hogy csak néhányat említsünk.

Balról jobbra: Ian Stevenson kutatótárs; PhD hallgató Niccolò Bigagli; PhD hallgató Weijun Yuan; Borisz Bulatovics egyetemista; doktorandusz Siwei Zhang; és Sebastian Weil nyomozóvezető. Nem látható: Tejce Kerman. Hitel: Columbia Egyetem

De az atomok a dolgok nagy rendszerében viszonylag egyszerűek. Ezek kerek tárgyak, és általában nem tartalmaznak olyan kölcsönhatásokat, amelyek a polaritásból származhatnak. Az első atomi BEC-ek elérése óta a tudósok bonyolultabb, molekulákból álló változatokat akartak létrehozni. De még az egyszerű kétatomos molekulákat is nehéz a megfelelő BEC kialakításához szükséges hőmérséklet alá hűteni.

Az első áttörést 2008-ban érte el, amikor Deborah Jin és Jun Yi, a Colorado állambeli Boulderben található Gila Intézet fizikusai körülbelül 350 nanokelvinre hűtötték le a kálium- és rubídiummolekulákból álló gázt. Az ilyen ultrahideg molekulák az elmúlt években hasznosnak bizonyultak kvantumszimulációk végrehajtásában, molekuláris ütközések és kvantumkémia tanulmányozásában, de a BEC küszöb átlépéséhez alacsonyabb hőmérsékletre volt szükség.

2023-ban létrehozta a Will’s Lab-ot Az első rendkívül hideg gáz az általuk választott molekulából, a nátriumból és a céziumból, a lézeres hűtés és a mágneses manipuláció kombinációját alkalmazva, hasonlóan Jin Wei megközelítéséhez. Hogy hűvösebb legyen, bevitték a mikrohullámú sütőt.

Újítások a mikrohullámú sütővel

A mikrohullámú sütő az elektromágneses sugárzás egyik formája, és hosszú múltra tekint vissza Kolumbiában. Az 1930-as években Isidore Isaac Rabi fizikus, aki később fizikai Nobel-díjat kapott, úttörő munkát végzett a mikrohullámú sütők területén, amely a légi radarrendszerek kifejlesztéséhez vezetett. „Rabe volt az egyik első, aki elsajátította a molekulák kvantumállapotait, és úttörő volt a mikrohullámú kutatásban” – mondta Weil. „Vállalkozásunk ezt a 90 éves hagyományt követi.”

Bár lehet, hogy ismeri a mikrohullámok szerepét az étel melegítésében, kiderül, hogy a hűtési folyamatot is megkönnyíthetik. Az egyes molekulák hajlamosak egymásnak ütközni, és ennek eredményeként nagyobb komplexeket képeznek, amelyek eltűnnek a mintákból. A mikrohullámok apró pajzsokat hozhatnak létre minden molekula körül, megakadályozva azok ütközését – ezt Karman, holland kollégájuk javasolta. Az elmulasztott ütközésektől védett molekulákkal csak a legforróbb molekulák távolíthatók el a mintából, ami ugyanaz a fizikai elv, amely lehűti a kávéscsészét, amikor ráfúj a tetejére – magyarázza Niccolò Bigagli szerző. A fennmaradó molekulák hidegebbek lesznek, és a minta általános hőmérséklete csökken.

A csapat tavaly ősszel közel került ahhoz, hogy létrehozzon egy molekuláris BEC-et a ben publikált munkája során Természetfizika Ami bevezette a mikrohullámú árnyékolási módszert. De újabb kísérleti fejlesztésre volt szükség. Amikor hozzáadtak egy második mikrohullámú mezőt, a hűtés hatékonyabbá vált, és a cézium-nátrium végre átlépte a BEC-küszöböt, ezt a célt Weill laboratóriuma a 2018-as kolumbiai megnyitása óta elérte.

„Ez egy nagyszerű finálé volt számomra” – mondta Bigagli, aki idén tavasszal szerzett fizikából doktori címet, és a laboratórium alapító tagja volt. „A laboratórium hiányától eljutottunk ezekhez a csodálatos eredményekhez.”

Az ütközések csökkentése mellett a második mikrohullámú mező a molekulák orientációját is szabályozhatja. Ez pedig egy módja annak, hogy ellenőrizzék, hogyan lépnek kapcsolatba egymással, amit a labor jelenleg is vizsgál. „A dipólus kölcsönhatások szabályozásával azt reméljük, hogy az anyag új kvantumállapotait és fázisait hozzuk létre” – mondta Ian Stevenson, a Columbia Egyetem társszerzője és posztdoktori kutatója.

A kvantumfizika új világa nyílik meg

Yi, az ultrahideg tudomány Boulder-alapú úttörője az eredményeket gyönyörű tudománynak tartja. „A munka számos tudományterületre jelentős hatással lesz, beleértve a kvantumkémia tanulmányozását és az erősen kapcsolt kvantumanyagok feltárását” – kommentálta. „Weill kísérlete a molekuláris kölcsönhatások pontos szabályozását tartalmazza, hogy a rendszert a kívánt eredmény felé terelje, ami figyelemre méltó eredmény a kvantumszabályozási technológia terén.”

Eközben a Columbia csapata izgatottan várja, hogy kísérletileg validálják az intermolekuláris kölcsönhatások elméleti leírását. „Már van egy jó elképzelésünk a rendszer kölcsönhatásairól, ami szintén kulcsfontosságú a következő lépésekhez, például a többpólusú testek fizikájának feltárásához” – mondta Kerman. „Sémákat találtunk ki a reakciók szabályozására, elméletileg teszteltük, és kísérletben megvalósítottuk. Nagyon klassz élmény volt látni, hogy a mikrohullámú „védelmi” ötleteket a laboratóriumban megvalósították.”

Több tucat elméleti előrejelzés létezik, amelyek most kísérletileg tesztelhetők molekuláris BEC-k ​​segítségével, amelyekről a társszerző és a doktorandusz, Siwei Zhang rámutat, hogy meglehetősen stabilak. A legtöbb ultrahideg kísérletet egy másodpercen belül elvégzik, néhány ezredmásodperc is rövid, de a laboratóriumi BEC molekuláris reakciók két másodpercnél tovább tartanak. „Ez lehetővé teszi számunkra, hogy megvizsgáljuk a kvantumfizika nyitott kérdéseit” – mondta.

Az egyik ötlet az, hogy mesterséges Bose-Einstein kristályokat hozzanak létre, amelyek lézerekből készült optikai rácsba záródnak. Ez lehetővé tenné olyan erőteljes kvantumszimulációkat, amelyek utánozzák a természetes kristályok kölcsönhatását, jegyezte meg Weil, és a kondenzált anyag fizikájának fókuszterülete. A kvantumszimulátorok rutinszerűen készülnek atomok felhasználásával, de az atomok rövid hatótávolságú kölcsönhatásokkal rendelkeznek – ahol gyakorlatilag egymáson kell lenniük –, ami korlátozza az összetettebb anyagok modellezésének mértékét. „A molekuláris BEC több ízt fog adni” – mondta Weil.

Ez magában foglalja a méreteket is, mondta Weijun Yuan társszerző és doktorandusz. „Szeretnénk használni a BEC-ket egy 2D-s rendszerben, amikor a 3D-ről a 2D-re térünk át, akkor mindig számíthatunk arra, hogy a 2D-s anyagok a molekuláris modellrendszerrel foglalkoznak A BEC-k ​​segíthetnek Weilnek és kollégáinak az Intensive kvantumjelenségek feltárásában, beleértve a szupravezetést, a szuperfluiditást és egyebeket.

„Úgy tűnik, a lehetőségek teljesen új világa nyílik meg” – mondta Will.

Hivatkozás: Niccolò Bigagli, Weijun Yuan, Siwei Zhang, Boris Bulatovic, Tess Carman, Ian Stevenson és Sebastian Weyl „Dipólrészecskék Bose-Einstein kondenzátumainak megfigyelése”, 2024. június 3. természet.
doi: 10.1038/s41586-024-07492-z