Forskere udnytter molekyler til en enkelt kvantetilstand

Forskere har store ideer til kvanteteknologiens potentiale, fra uhackbare netværk til jordskælvssensorer. Men alle disse ting afhænger af en stor teknologisk bedrift:at være i stand til at bygge og kontrollere systemer af kvantepartikler, som er blandt de mindste objekter i universet.

Det mål er nu et skridt nærmere med offentliggørelsen af ​​en ny metode fra University of Chicagos forskere. Udgivet 28. april i Natur , papiret viser, hvordan man bringer flere molekyler på én gang i en enkelt kvantetilstand - et af de vigtigste mål i kvantefysikken.

"Folk har prøvet at gøre dette i årtier, så vi er meget spændte, "sagde seniorforfatter Cheng Chin, en professor i fysik ved UChicago, der sagde, at han har ønsket at nå dette mål, siden han var kandidatstuderende i 1990'erne. "Jeg håber, at dette kan åbne nye felter inden for mange-legeme kvantekemi. Der er beviser for, at der er en masse opdagelser, der venter derude."

En af de essentielle tilstande af stof kaldes et Bose-Einstein-kondensat:Når en gruppe partikler afkølet til næsten det absolutte nulpunkt deler en kvantetilstand, hele gruppen begynder at opføre sig, som om det var et enkelt atom. Det er lidt ligesom at lokke et helt band til at marchere helt i takt, mens de spiller på tone – svært at opnå, men når det sker, en helt ny verden af ​​muligheder kan åbne sig.

Forskere har været i stand til at gøre dette med atomer i et par årtier, men hvad de virkelig gerne vil gøre er at kunne gøre det med molekyler. Et sådant gennembrud kunne tjene som grundlaget for mange former for kvanteteknologi.

Men fordi molekyler er større end atomer og har mange flere bevægelige dele, de fleste forsøg på at udnytte dem er opløst i kaos. "Atomer er simple sfæriske objekter, hvorimod molekyler kan vibrere, rotere, bære små magneter, " sagde Chin. "Fordi molekyler kan gøre så mange forskellige ting, det gør dem mere nyttige, og på samme tid meget sværere at kontrollere. ”

Chins gruppe ønskede at drage fordel af et par nye muligheder i laboratoriet, der for nylig var blevet tilgængelige. Sidste år, de begyndte at eksperimentere med at tilføje to betingelser.

Den første var at køle hele systemet endnu mere ned - ned til 10 nanokelvin, et flækket hår over det absolutte nulpunkt. Derefter pakkede de molekylerne ind i et krybekælder, så de blev stiftet fladt. "Typisk, molekyler ønsker at bevæge sig i alle retninger, og hvis du tillader det, de er meget mindre stabile, "sagde Chin." Vi begrænsede molekylerne, så de er på en 2D -overflade og kun kan bevæge sig i to retninger. "

Resultatet var et sæt af praktisk talt identiske molekyler - linet op med nøjagtig samme orientering, samme vibrationsfrekvens, i samme kvantetilstand.

Forskerne beskrev dette molekylære kondensat som et uberørt ark nyt tegnepapir til kvanteteknologi. "Det er det absolut ideelle udgangspunkt, " sagde Chin. "F.eks. hvis du ønsker at bygge kvantesystemer til at holde information, du har brug for en ren tavle at skrive på, før du kan formatere og gemme den information."

Indtil nu, de har været i stand til at forbinde op til et par tusinde molekyler sammen i en sådan tilstand, og begynder at udforske dets potentiale.

"På den traditionelle måde at tænke kemi på, du tænker på nogle få atomer og molekyler, der kolliderer og danner et nyt molekyle, " sagde Chin. "Men i kvanteregimet, alle molekyler virker sammen, i kollektiv adfærd. Dette åbner en helt ny måde at udforske, hvordan molekyler alle kan reagere sammen for at blive en ny slags molekyle.

"Dette har været mit mål, siden jeg var studerende, " han tilføjede, "så vi er meget, meget glad for dette resultat."