Не атоми, а множество ултрастудени молекули са вкарани в екзотично квантово състояние

Ваня Милева Последна промяна на 05 юни 2024 в 00:00 7976 0

Лабораторията на Себастиан Уил

Кредит Columbia University

Лабораторията на Себастиан Уил използва серия лазери и оптични елементи като част от експериментите си за охлаждане.

Физици от Колумбийския университет са успели да охладят молекулите толкова много, че стотици от тях "застиват", създавайки една-единствена гигантска супермолекула в квантово състояние.

Такива системи могат да се използват например за създаване на твърди материали, които могат да текат без съпротивление или за основата на нов вид квантов компютър.

От 1995 г. насам физиците са създавали с атоми подобно състояния, наречено Бозе-Айнщайнов кондензат (BEC), и са го използвали, за да разберат голямо разнообразие от квантови явления.

Молекулите взаимодействат по по-сложни начини от атомите, предлагайки много по-богати възможности за изследвания и квантови технологии. 

Но молекули е много по-трудно да се охладят до милиардни от градуса над абсолютната нула, необходимо за създаването на кондензат. Затова физиците се опитват да реализират кондензати на Бозе-Айнщайн от стабилни молекули повече от десетилетие

Тази цел е постигната едва сега с изследването на Лабораторията на Себастиан Уил (Sebastian Will), публикувано в Nature.

Техният BEC, охладен само до пет нанокелвина, или около -273.15°С, и стабилен в продължение на поразително дългите две секунди, е направен от молекули натрий-цезий. Подобно на молекулите на водата, тези молекули са полярни, което означава, че носят както положителен, така и отрицателен заряд. Небалансираното разпределение на електрическия заряд улеснява взаимодействията на големи разстояния, които са най-интересните във физиката, отбелязва Уил.

Едно от изследванията, които лабораторията на Уил ще проведе с молекулярните си BEC, включват проучване на редица различни квантови явления, включително нови видове свръхфлуидност - състояние на материята, която тече, без да изпитва никакво триене. Те също така се надяват да превърнат своите BEC в мощни квантови симулатори, които могат да пресъздадат загадъчните квантови свойства на по-сложни материали, като например твърди кристали.

Схема на фазовия преход при температури близо до абсолютната нула, когато квантово-механични ефекти стават забележими. При температури близо до абсолютната нула, атомите са в най-ниското си енергийно ниво. При тези температури квантово-механични ефекти стават забележими. В резултат на вероятностното им позициониране, атомите ще са като размити топки. Всички те ще имат едно и също квантово състояние и ще се обединят в един-единствен "супер атом".  Кредит: bgchaos.com, по идея на a-level physics tutor

Схема на фазовия преход при температури близо до абсолютната нула, когато квантово-механични ефекти стават забележими. Класическата механика е приложима за движение на газовите частици ако r>>λ. Влиянието  на идентичността на частиците е забележимо, когато средното разстояние между частиците r стане сравнимо с дължината на вълната на дьо Бройл: λ = h / m.v (m - масата на частицата, v - скоростта му, h - константата на Планк) на топлинното движение на частиците. Условието е: N-1/3 ~ r ~ λ , където N е обемната концентрация на частици. В един момент, при някаква критична температура TC, ще се достигне положение, при което размиването на отделните атоми напълно ще се припокрие. Тази критична температура TC, може да се изчисли с помощта на статистиката Bose-Айнщайн. Кредит: bgchaos.com, по идея на: people.du.ac.in

За да стане по-студено, трябва да се добавят микровълни

Микровълните са форма на електромагнитно излъчване и макар да сте запознати с ролята на микровълните за нагряване на хранаа, оказва се, че те могат да улеснят и охлаждането.

Отделните молекули имат склонност да се блъскат една в друга и в резултат на това ще образуват по-големи комплекси, които изчезват от пробите.

Микровълните могат да създадат малки щитове около всяка молекула, които да им попречат да се сблъскат. А само най-горещите от тях могат да бъдат отстранени от пробата. Молекулите, които остават, ще бъдат по-студени и общата температура на пробата  спада.

С помощта на микровълни физиците от Колумбийския университет са създали от молекули на натрий и цезий кондензат на Бозе-Айнщайн - уникално състояние на материята. Кредит: Lab Will, Columbia University/Myles Marshall


Екипът се доближава до създаването на молекулярен BEC миналата есен, представено в статия, публикувана в Nature Physics, в която е представен методът на микровълновото екраниране.

Но сега добавяйки второ микровълново поле, охлаждането става още по-ефективно и натрият и цезият най-накрая преминават прага на BEC - цел, която лабораторията на Уил преследва още от откриването си в Колумбийския университет през 2018 г.

Освен че намалява сблъсъците, второто микровълново поле може да манипулира и ориентацията на молекулите. Това от своя страна е средство за контролиране на начина, по който си взаимодействат молекулите, което лабораторията в момента проучва.

Резултатът е кондензат от повече от 1000 молекули, охладени до 5 милиардни от градуса над абсолютната нула с ясни характеристики на Бозе-Айнщайнов кондензат.

"Като контролираме тези диполни взаимодействия, се надяваме да създадем нови квантови състояния и фази на материята“, отбелязва съавторът и докторант от Колумбийския университет Иън Стивънсън (Ian Stevenson).

Отваря се нов свят за квантовата физика

Молекулярните кондензати на Бозе-Айнщайн могат да се използват по безброй начини. Една от възможностите е да се създадат екзотични свръхтвърди фази, в които твърд материал тече без съпротивление, свойство, наречено свръхфлуидност. Досега това е било постигнато само в атомни газове с магнитни взаимодействия - сега може да се направи в полярни молекули, чиито взаимодействия са много по-силни.

Физиците също ще могат да тестват прогнози за това как ще се държи тази странна материя. Уил казва, че чрез настройване на микровълновите полета, за да позволи известно взаимодействие между молекулите, екипът очаква да види системата да се раздели на квантови капчици, нова фаза на материята. Чрез ограничаване на кондензата в две измерения с помощта на лазери, екипът също се надява да наблюдава как молекулите се подреждат под микроскоп, за да образуват вид кристал.

"Това е нещо, което никога не е било възможно", подчертава Уил.

Молекулите на кондензата също могат да формират основата на нов вид квантов компютър, добавя Уил. Като се има предвид, че всяка молекула е в идентично, известно състояние, те могат да бъдат разделени, за да образуват квантови битове или кубити, единиците информация в квантов компютър. Квантовите ротационни състояния на молекулите - които могат да се използват за съхраняване на информация - могат да останат стабилни за може би минути наведнъж, което позволява дълги и сложни изчисления.

"Изглежда, че се открива цял нов свят от възможности“, отбелязва Уил.

Справка: Sebastian Will, Observation of Bose–Einstein condensation of dipolar molecules, Nature (2024). DOI: 10.1038/s41586-024-07492-z. www.nature.com/articles/s41586-024-07492-z

Източници:

Physicists take molecules to a new ultracold limit, creating a state of matter where quantum mechanics reigns, Ellen Neff, Columbia University

Physicists coax molecules into exotic quantum state — ending decades-long quest, Elizabeth Gibney, Nature

Най-важното
Всички новини
За писането на коментар е необходима регистрация.
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!

Няма коментари към тази новина !