Teoretiske fysikere forudsiger kvanteinteraktioner inden for 3D-molekyler

Inden for kvantemekanikkens område, generering af kvanteforviklinger er fortsat et af de mest udfordrende mål. Forviklinger, kort fortalt, er, når kvantetilstanden for hver partikel eller en gruppe af partikler ikke er uafhængig af kvantetilstanden for andre partikler eller grupper, selv over lange afstande. Sammenfiltrede partikler har altid fascineret fysikere, da måling af en sammenfiltret partikel kan resultere i en ændring i en anden sammenfiltret partikel, berømt afvist som "uhyggelig handling på afstand" af Einstein. Nu, fysikere forstår denne mærkelige effekt, og hvordan man gør brug af den, for eksempel for at øge følsomheden af ​​målinger. Imidlertid, indviklede stater er meget skrøbelige, da de let kan forstyrres af dekohærens. Forskere har allerede skabt indviklede tilstande i atomer, fotoner, elektroner og ioner, men først for nylig er undersøgelser begyndt at udforske sammenfiltring i gasser af polære molekyler.

"Molekyler er meget tiltalende for kvantesimulering, kvanteinformation, og præcisionsmålinger, " forklarede Dr. Ana Maria Rey, en University of Colorado Boulder Adjoint Professor of Physics og JILA Fellow. Årsagen er, at molekyler har et stort antal interne frihedsgrader, der kan være en nyttig ressource til kvantesansning og fundamentale fysiktests. En anden fordel ved at bruge molekyler i kvanteforsøg er, at molekyler også har langtrækkende dipolære interaktioner:i modsætning til atomer, der skal støde ind i hinanden for at interagere, molekyler kan interagere på afstand. "Molekyler giver virkelig store fordele sammenlignet med atomer, men samtidig, de er virkelig svære at køle ned. Faktisk, afkøling af molekyler til kvantedegeneration (tilstand nået, når de er kolde nok til at få kvanteeffekter til at dominere) har været et af de mest eftertragtede fremragende mål i mange år. Fremskridtet har været meget langsomt, men det sker nu."

I 2019 JILA Fellow og Adjoint Professor for University of Colorado, Kampesten, juni ja, endelig nåede denne vigtige milepæl. Yes laboratorium formåede at køle molekyler bestående af et rubidium- og et kaliumatom ned til kvantedegeneration og observere deres kvantenatur. For nylig, han har komprimeret denne molekylære gas til en stak af pandekageformede arrays. Arbejdet fra Rey's og Ye's-grupperne undersøger den spændende nye fysik, der opstår på grund af dipolære interaktioner i sådanne pandekageformede arrays.

Betydningen af ​​pandekagegeometri

Kemiske reaktioner er en af ​​de mest skadelige fjender til afkøling af molekyler. Et par år siden, Ye-laboratoriet var i stand til at undgå kemiske reaktioner, mens det tillod molekyler at interagere med hinanden via dipolære interaktioner ved at indlæse molekylerne i et 3D-gitter. Et 3D-gitter kan forestilles som en perfekt lyskrystal. I et 3D-gitter er molekyler fastgjort til individuelle gittersteder uden at bevæge sig. Molekylerne interagerer derefter via dipolære interaktioner på samme måde, som magneter interagerer:Når de placeres side om side, afstøder de, og når de placeres fra hoved til hale, tiltrækker de. I et 3D-gitter, molekyler oplever både attraktive og frastødende interaktioner, og som en konsekvens heraf ophæver interaktionerne mellem molekyler i gennemsnit hinanden. I øvrigt, i 3D-gittereksperimentet var den molekylære fyldningsfraktion meget lav, hvilket vil sige, at molekylerne for det meste var ret langt fra hinanden og kun interagerede meget svagt.

I et nyligt eksperiment, imidlertid, Ye-gruppen var i stand til at øge tætheden ved at komprimere en 3D kvantedegenereret gas til et par pandekager, hver med en flad 2D-form. Inden for en pandekage fandt Ye-gruppen ud af, at det er muligt at undertrykke uønskede kemiske reaktioner og desuden gøre dipol-interaktioner stærkere. Dette skyldes, at i en 2D-konfiguration afstøder alle molekyler, og interaktionerne udligner ikke gennemsnittet. Den spændende observation, som efterforskerne har gjort, er, at de stærke dipolære vekselvirkninger i pandekagen også kan gøre gassen robust over for uønskede dephasing-effekter og kemiske reaktioner. Bilitewski udtalte:Ved at studere denne form, "konceptuelt, og dette er kernen i dette arbejde, vekselvirkningerne mellem molekylerne afhænger af de kvantetilstande, de er i, og dermed på denne indespærring. Så, du skal først finde ud af interaktionerne i denne nye geometri. Det viser sig, at disse faktisk har meget gavnlige egenskaber til at generere den kollektive dynamik, vi er ude efter." Men den endnu bedre nyhed er, at interaktioner ikke kun beskytter staten ved at tvinge de molekylære dipoler til at være alle på linje, men også naturligt skabe sammenfiltring. Med Bilitewski' ord:"fordelen ved denne kollektive synkronisering er, at den sammenfiltring, vi genererer, bliver robust over for visse effekter, som normalt ville ødelægge er." Sådanne sammenfiltrede arrays af molekyler kunne have anvendelser til fremtidige målinger af forskellige mængder, såsom elektriske felter, med følsomhed forstærket af sammenfiltringen.

Arbejdet udført af Rey-gruppen illustrerer vigtigheden af ​​geometriske effekter i dipolære gasser og de spændende mange-legeme-fænomener, der endnu ikke skal udforskes, når først molekyler er bragt til kvantedegeneration. I teoretiseringen om vigtigheden af ​​denne 2D-form, Rey sagde:"takket være det fantastiske arbejde udført af Thomas Bilitewski, vi har været i stand til at modellere deres kvantedynamik og vise, at det burde være muligt at vikle dem ind, han beregnede alle de integraler, der var nødvendige for at skrive en effektiv model, løste bevægelsesligningerne og viste, at alt kan laves for at skabe sammenfiltring gennem flip-flop-processer induceret af dipolære interaktioner."

Produktionen af ​​ultrakolde molekylære gasser i kontrollerbare geometrier antyder nye opdagelser og forudsigelser inden for kvantemekanikken. "Denne observation var en demonstration af, at molekyler kan udforske kvantemagnetisme, " tilføjede Rey, "Med andre ord, molekylerne kan opføre sig som kvantemagneter og efterligne elektronernes adfærd i faste stoffer, for eksempel. I vores seneste arbejde, vi har taget et skridt fremad i denne retning." Forslaget fremsat af Rey- og Ye-grupperne er kun begyndelsen på al den store videnskab, der endnu skal studeres med sammenfiltringsarrays af molekyler. Ifølge Bilitewski:"det hele er virkelig spændende i den forstand, at vi udforsker et nyt regime, der først nu er blevet tilgængeligt i laboratoriet."