En metallignende kvantegas:En banebrydende platform til kvantesimulering

Elektroniske egenskaber af kondenseret stof bestemmes ofte af en indviklet konkurrence mellem kinetisk energi, der har til formål at overlappe og delokalisere elektroniske bølgefunktioner på tværs af krystalgitteret, og lokalisering af elektron-elektron-interaktioner. I modsætning, gasfasen er karakteriseret ved valenselektroner tæt lokaliseret omkring de ioniske atomkerner i diskrete kvantetilstande med veldefinerede energier. Som en eksotisk hybrid af begge situationer, man kan undre sig over, hvilken tilstand af stof der skabes, når en gas af isolerede atomer pludselig exciteres til en tilstand, hvor elektroniske bølgefunktioner rumligt overlapper hinanden, som i et fast stof?

Sådan en eksotisk fase af stof, imidlertid, har hidtil været umuligt at skabe i princippet. Her, Professor Kenji Ohmori, Institut for Molekylær Videnskab, National Institutes of Natural Sciences i Japan, og hans kolleger har realiseret sådan en eksotisk hybrid med overlappende højtliggende elektroniske (Rydberg) bølgefunktioner skabt sammenhængende inden for kun 10 picosekunder ved ultrahurtig laserexcitation i en kunstig mikrokrystal af ultrakolde atomer. Graden af ​​rumlig overlapning er aktivt indstillet med næsten 50 nanometer præcision og nøjagtighed. Denne eksotiske metallignende kvantegas under udsøgt kontrol og lang levetid, henfalder på nanosekunder, åbner op for et helt nyt regime af mange-kropsfysik til simulering af ultrahurtig mange-legeme elektrondynamik domineret af Coulomb-interaktioner.

Eksperimentet blev udført med et ensemble på 30, 000 rubidium atomer i gasfasen. Det blev afkølet til en temperatur under en 10 milliontedel af 1 Kelvin over en absolut nultemperatur ved laser/fordampningskøling. Disse ultrakolde atomer i den energimæssigt laveste kvantetilstand, omtalt som et Bose-Einstein-kondensat, er indlæst i et kubisk gitter af optiske fælder dannet med mod-udbredende laserstråler, resulterer i en kunstig mikrokrystal bestående af 30, 000 atomer, hvis nærmeste naboafstand er 0,5 mikron. Denne mikrokrystal med en størrelse på nogle få tiere mikrometer blev bestrålet med en ultrakort laserpuls, hvis pulsbredde var 10 pico-sekunder. Det blev derefter observeret, at en elektron indespærret i hvert af de tilstødende atomer blev exciteret til sin gigantiske elektroniske orbital (Rydberg orbital), så de rumligt overlappede hinanden. Graden af ​​overlapningen blev udsøgt kontrolleret med næsten 50 nanometer præcision og nøjagtighed ved at ændre laserfrekvensen, som vælger orbitalen.

Når orbitaler af disse løst bundne elektroner overlapper hinanden, og atomerne begynder at dele deres orbitaler, de indgår i et nyt metallignende kvantegas-regime. Professor Ohmori og hans kolleger har således skabt en metallignende kvantegas for første gang. Denne eksotiske stoffase forventes at være en banebrydende platform for kvantesimulering af ultrahurtig elektrondynamik med mange legeme domineret af Coulomb-interaktioner, der ville forbedre vores forståelse af fysiske egenskaber ved stof, herunder superledning og magnetisme, og kunne bidrage til disruptiv innovation i udviklingen af ​​nye funktionelle materialer.

Undersøgelsen er publiceret i Fysisk gennemgangsbreve .