Forskere laver den koldeste kvantgas af molekyler

JILA-forskere har lavet en lang levetid, rekordkold gas af molekyler, der følger kvantemekanikkens bølgemønstre i stedet for den almindelige klassiske fysiks strenge partikelkarakter. Oprettelsen af ​​denne gas øger oddsene for fremskridt inden for områder som designerkemi og kvanteberegning.

Som vist på forsiden af ​​22. februar -udgaven af Videnskab , holdet producerede en gas af kalium-rubidium (KRb) molekyler ved temperaturer helt ned til 50 nanokelvin (nK). Det er 50 milliarder af en Kelvin, eller bare en smule over absolut nul, den laveste teoretisk mulige temperatur. Molekylerne er i de lavest mulige energitilstande, udgør, hvad der er kendt som en degenereret Fermi -gas.

I en kvantgas, alle molekylernes egenskaber er begrænset til specifikke værdier, eller kvantiseret, som trin på en stige eller noter i en musikalsk skala. Afkøling af gassen til de laveste temperaturer giver forskere maksimal kontrol over molekylerne. De to involverede atomer er i forskellige klasser:Kalium er en fermion (med et ulige antal subatomære komponenter kaldet protoner og neutroner) og rubidium er en boson (med et lige antal subatomære komponenter). De resulterende molekyler har en Fermi -karakter.

JILA drives i fællesskab af National Institute of Standards and Technology (NIST) og University of Colorado Boulder. NIST -forskere på JILA har arbejdet i årevis med at forstå og kontrollere ultrakølede molekyler, som er mere komplekse end atomer, fordi de ikke kun har mange interne energiniveauer, men også roterer og vibrerer. JILA -teamet lavede deres første molekylære gas for 10 år siden.

"De grundlæggende teknikker til fremstilling af gassen er de samme, som vi har brugt før, men vi har et par nye tricks, såsom at forbedre afkøling af atomerne markant, skabe flere af dem i den laveste energitilstand, "NIST/JILA Fellow Jun Ye sagde." Dette resulterer i en højere konverteringseffektivitet, så vi får flere molekyler. "

JILA -teamet producerede 100, 000 molekyler ved 250 nK og så mange som 25, 000 molekyler ved 50 nK.

Før nu, de koldeste to-atom molekyler blev produceret i maksimale antal titusinder og ved temperaturer ikke lavere end et par hundrede nanoKelvin. JILAs seneste gastemperatur-rekord er meget lavere end (ca. en tredjedel af) det niveau, hvor kvanteeffekter begynder at tage overhånd fra klassiske effekter, og molekylerne varer i et par sekunder - bemærkelsesværdig levetid, Sagde du.

Den nye gas er den første, der bliver kold og tæt nok til, at disse molekylers stofbølger er længere end afstandene mellem dem, får dem til at overlappe hinanden for at oprette en ny enhed. Forskere kalder dette kvante degeneration. (Kvantemateriale kan opføre sig som enten partikler eller stofbølger, det er, bølgeformsmønstre for sandsynligheden for en partikels placering).

Kvantedegeneration betyder også en stigning i frastødningen blandt fermioniske partikler, som alligevel plejer at være ensomme, resulterer i færre kemiske reaktioner og en mere stabil gas. Dette er det første eksperiment, hvor forskere har observeret kollektive kvanteeffekter, der direkte påvirker de enkelte molekylers kemi, Sagde du.

"Dette er den første kvantegenererede gas af stabile molekyler i løs vægt, og de kemiske reaktioner undertrykkes - et resultat, som ingen havde forudsagt, "Sagde du.

Molekylerne skabt i dette eksperiment kaldes polare molekyler, fordi de har en positiv elektrisk ladning ved rubidiumatomet og en negativ ladning ved kaliumatomet. Deres interaktioner varierer efter retning og kan styres med elektriske felter. Polare molekyler tilbyder således mere afstemmelige, stærkere interaktioner og yderligere kontrol "knapper" sammenlignet med neutrale partikler.

Disse nye ultralave temperaturer vil gøre det muligt for forskere at sammenligne kemiske reaktioner i kvante versus klassiske miljøer og studere, hvordan elektriske felter påvirker de polære interaktioner. Eventuelle praktiske fordele kan omfatte nye kemiske processer, nye metoder til kvanteberegning ved hjælp af ladede molekyler som kvantebits, og nye præcisionsmålingsværktøjer såsom molekylære ure.

Processen til fremstilling af molekylerne begynder med en gasblanding af meget kolde kalium- og rubidiumatomer begrænset af en laserstråle. Ved at feje et præcist afstemt magnetfelt hen over atomerne, forskere skaber store, svagt bundne molekyler indeholdende et atom af hver type. Denne teknik blev banebrydende af Yes kollega, afdøde Deborah Jin, i hendes demonstration i 2003 af verdens første Fermi -kondensat.

For at omdanne disse relativt fluffy molekyler til tæt bundne molekyler uden at opvarme gassen, forskere bruger to lasere, der opererer med forskellige frekvenser - der hver især resonerer med et andet energihop i molekylerne - til at omdanne bindingsenergien til lys i stedet for varme. Molekylerne absorberer nær-infrarødt laserlys og frigiver rødt lys. I processen, 90 procent af molekylerne omdannes gennem en mellemliggende energitilstand, til det laveste og mest stabile energiniveau.