Afskærmning af ultrakolde molekyler med mikrobølger

Ultrakolde molekyler er lovende til anvendelser i nye kvanteteknologier. Desværre, disse molekyler ødelægges ved at kollidere med hinanden. Forskere ved Harvard University, MIT, Korea University og Radboud University har vist, at disse kollisionstab kan forhindres ved at styre interaktionen mellem molekyler ved hjælp af mikrobølger på en sådan måde, at de frastøder hinanden og, derfor, ikke kommer tæt på hinanden under kollisioner. Deres papir vil blive offentliggjort i Videnskab den 13. august.

Kommende kvanteteknologier såsom kvanteberegning og kvantesimulering er alle hypen lige nu. Der tages store spring hen imod deres realisering på forskellige platforme såsom fangede ioner og Rydberg-atomarrays. Ultrakølede molekyler er en anden lovende platform. Desværre, kollisioner mellem molekylerne fører til tab, som om de var kemisk reaktive, hvilket har begrænset evnen til at afkøle molekyler i løbet af det sidste årti. Et team af forskere har nu påvist, at disse kollisionstab kan undertrykkes ved at udvikle frastødende interaktioner mellem molekylerne ved hjælp af mikrobølger.

Eliminering af kollisionstab og forstærkning af elastiske kollisioner vil gøre det muligt at afkøle molekyler til en kvantegas og bringe deres anvendelse i nye kvanteteknologier inden for rækkevidde. En unik fordel ved ultrakølede molekyler er, at interaktioner mellem molekyler kan indstilles og kontrolleres ved en drejeknap i laboratoriet, ved hjælp af eksterne felter. For eksempel, når molekylerne udsættes for mikrobølger, deres dipolmomenter vil svinge sammen med mikrobølgerne. På denne måde kan vi kontrollere interaktioner mellem de molekylære dipolmomenter.

I stedet for at følge mikrobølgefeltet, dipolmomenterne kan også gribe ind i hinanden, som kan forårsage enten tiltrækning eller frastødning mellem molekylerne. Frastødning mellem molekylerne kan forhindre dem i at komme tæt på hinanden. "På denne måde kan vi beskytte molekylerne mod kollisionstab, "forklarer Tijs Karman fra Radboud University, hvem foreslog denne metode, og hvis beregninger styrede eksperimentet.

Eksperimentel realisering

For første gang, mikrobølgeafskærmning er blevet demonstreret eksperimentelt i laboratoriet af professor John Doyle ved Harvard University. Dette eksperiment bruger calciummonofluoridmolekyler (CaF), der afkøles til en temperatur på 100 µK ved hjælp af en teknik kaldet laserkøling. Disse molekyler opbevares derefter i individuelle fælder lavet af fokuseret laserlys, som kaldes optisk pincet. To af disse pincet, der hver indeholder et enkelt molekyle, fusioneres derefter for at studere kollisioner mellem præcis to molekyler. For at beskytte molekylerne, de udsættes for mikrobølger fra en række antenner. På denne måde fysikere konstruerede frastødende interaktioner mellem molekylerne, der beskytter dem mod kollisionstab. Tabsprocenten er reduceret med en faktor seks.

Afkøling til en kvantegas af molekyler

Ud over at undertrykke kollisionstab, frastødningen mellem molekyler, når de er langt fra hinanden, fører til hurtige elastiske kollisioner. Her forstærkes elastiske kollisioner med en faktor 17. Disse elastiske kollisioner er vigtige for termikalisering. Hurtig termalisering og langsomt tab er præcis, hvad der er nødvendigt for yderligere afkøling af molekyler ved fordampning, en langvarig milepæl på området. Derfor, den afskærmning, der er demonstreret her, er et stort skridt i retning af at skabe en kvantegas af ultrakolde molekyler og realisere fremtidige kvanteteknologier såsom kvanteberegning og kvantesimulering.