Nye værktøjer tænder kvantegasser af ultrakølede molekyler

JILA -forskere har udviklet værktøjer til at "tænde" kvantegasser af ultrakølede molekyler, at få kontrol over langdistancemolekylære interaktioner for potentielle applikationer såsom kodning af data til kvanteberegning og simuleringer.

Den nye ordning for at nudge en molekylær gas ned til dens laveste energitilstand, kaldet kvante degeneration mens undertrykkelse af kemiske reaktioner, der bryder molekyler, endelig gør det muligt at udforske eksotiske kvantetilstande, hvor alle molekylerne interagerer med hinanden.

Forskningen er beskrevet i udgaven af ​​10. december af Natur . JILA er et fælles institut for National Institute of Standards and Technology (NIST) og University of Colorado Boulder.

"Molekyler fejres altid for deres langtrækkende interaktioner, som kan give anledning til eksotisk kvantefysik og ny kontrol inden for kvanteinformationsvidenskab, "NIST/JILA Fellow Jun Ye sagde." Dog, indtil nu, ingen havde fundet ud af, hvordan man aktiverer disse langdistanceinteraktioner i en bulkgas. "

"Nu, alt dette har ændret sig. Vores arbejde viste for første gang, at vi kan tænde et elektrisk felt for at manipulere molekylære interaktioner, få dem til at køle yderligere ned, og begynde at udforske kollektiv fysik, hvor alle molekyler er koblet til hinanden. "

Det nye arbejde følger op på Yes mange tidligere præstationer med ultrakølede kvantegasser. Forskere har længe søgt at kontrollere ultrakølede molekyler på samme måde som de kan kontrollere atomer. Molekyler tilbyder yderligere kontrolmidler, herunder polaritet - det vil sige modsatrettede elektriske ladninger - og mange forskellige vibrationer og rotationer.

JILA -eksperimenterne skabte en tæt gas på omkring 20, 000 fangede kalium-rubidiummolekyler ved en temperatur på 250 nanokelvin over absolut nul (ca. minus 273 grader Celsius eller minus 459 grader Fahrenheit). Vigtigt, disse molekyler er polære, med en positiv elektrisk ladning ved rubidiumatomet og en negativ ladning ved kaliumatomet. Forskellene mellem disse positive og negative ladninger, kaldet elektriske dipolmomenter, få molekylerne til at opføre sig som små kompassmagneter, der er følsomme over for bestemte kræfter, i dette tilfælde elektriske felter.

Når gassen afkøles til næsten absolut nul, molekylerne holder op med at opføre sig som partikler og i stedet opfører sig som bølger, der overlapper hinanden. Molekylerne forbliver fra hinanden, fordi de er fermioner, en klasse af partikler, der ikke kan være i samme kvantetilstand og sted på samme tid og derfor afviser hinanden. Men de kan interagere på lang afstand gennem deres overlappende bølger, elektriske dipolmomenter og andre funktioner.

I fortiden, JILA -forskere skabte kvantegasser af molekyler ved at manipulere en gas indeholdende begge typer atomer med et magnetfelt og lasere. Denne gang læssede forskerne først blandingen af ​​gasformige atomer i en lodret stak tynde, pandekageformede fælder dannet af laserlys (kaldet et optisk gitter), strammer atomerne langs den lodrette retning. Forskere brugte derefter magnetfelter og lasere til at binde par atomer sammen til molekyler. Tiloversblevne atomer blev opvarmet og fjernet ved at indstille en laser for at stimulere bevægelse, der er unik for hver type atom.

Derefter, med den molekylære sky placeret i midten af ​​en ny sekselektrodesamling dannet af to glasplader og fire wolframstænger, forskere genererede et afstemeligt elektrisk felt.

Det elektriske felt udløste frastødende interaktioner mellem molekylerne, der stabiliserede gassen, reducere uelastiske ("dårlige") kollisioner, hvor molekylerne undergår en kemisk reaktion og flygter fra fælden. Denne teknik øgede hastigheden af ​​elastiske ("gode") interaktioner mere end hundrede gange, mens den undertrykte kemiske reaktioner.

Dette miljø tillod effektiv fordampningskøling af gassen ned til en temperatur under begyndelsen af ​​kvante degeneration. Køleprocessen fjernede de hotteste molekyler fra gitterfælden og lod de resterende molekyler tilpasse sig en lavere temperatur gennem de elastiske kollisioner. Langsomt at dreje på et vandret elektrisk felt over hundredvis af millisekunder reducerede fældestyrken i en retning, længe nok til at varme molekyler kan slippe ud og de resterende molekyler til at køle ned. I slutningen af ​​denne proces, molekylerne vendte tilbage til deres mest stabile tilstand, men nu i en tættere gas.

Den nye JILA -metode kan anvendes til at lave ultrakølede gasser ud af andre typer polare molekyler.

Ultrakolde molekylære gasser kan have mange praktiske anvendelser, herunder nye metoder til kvanteberegning ved anvendelse af polare molekyler som kvantebits; simuleringer og forbedret forståelse af kvantefænomener såsom kolossal magnetoresistans (til forbedret datalagring og behandling) og superledning (for perfekt effektiv elektrisk kraftoverførsel); og nye værktøjer til præcisionsmåling såsom molekylære ure eller molekylære systemer, der muliggør søgning efter nye teorier om fysik.