Første tetraatomiske supermolekyler realiseret ved nanokelvin-temperaturer

Et team af eksperimentalister ved Max Planck Institute of Quantum Optics (MPQ) og teoretikere ved det kinesiske videnskabsakademi (CAS) er for første gang lykkedes med at befolke og stabilisere en ny type molekyle, såkaldte feltbundne tetratomiske molekyler . Disse "supermolekyler" er så skrøbelige, at de kun kan eksistere ved ultrakolde temperaturer. Deres eksistens havde længe været mistænkt, men er aldrig blevet påvist eksperimentelt – indtil nu.

De polyatomiske molekyler skabt i denne nye undersøgelse er sammensat af mere end to atomer og er med succes blevet kølet ned til 134 nanokelvin - mere end 3.000 gange koldere end temperaturen på tidligere skabte tetraatomiske molekyler. Denne præstation er ikke kun en ny bedrift inden for molekylær fysik, men også et væsentligt skridt fremad i studiet af eksotisk ultrakoldt stof. Forskningen er publiceret i Nature .

For omkring to årtier siden forudsagde den amerikanske teoretiske fysiker John Bohn og hans kolleger en ny type binding mellem polære molekyler:Hvis molekylerne bærer en asymmetrisk fordelt ladning - hvad fysikere kalder polaritet - kan de kombineres i et elektrisk felt og danne svagt bundne "supermolekyler". ."

Disse polære molekylers adfærd kan opfattes som kompasnåle inde i en hård skal. Når de bringes tæt sammen, oplever kompasnåle en tiltrækning, der er stærkere end Jordens magnetfelt, og de peger mod hinanden i stedet for at rette sig mod nord.

Et lignende fænomen kan observeres med polære molekyler, som under specifikke forhold kan danne en unik bundet tilstand via elektriske kræfter. Deres bånd minder lidt om et dansende par, der holder tæt om hinanden, samtidig med at de konstant holder en vis afstand.

Supermolekylernes bundne tilstand er langt svagere end typiske kemiske bindinger, men samtidig også meget længere rækkevidde. Supermolekyler deler en bindingslængde over afstande, der er flere hundrede gange længere end normalt bundne molekyler.

På grund af denne langrækkende natur er sådanne supermolekyler meget følsomme:Hvis parametrene for det elektriske felt kun ændres lidt ved en kritisk værdi, ændres kræfterne mellem molekylerne dramatisk - et fænomen, der omtales som "feltforbundet resonans. " Dette gør forskerne i stand til fleksibelt at variere formen og størrelsen af ​​molekylerne med et mikrobølgefelt.

Et skuespil i tre dele:Fra diatomiske til tetraatomiske molekyler

Ultrakolde polyatomiske molekyler indeholder en rig indre struktur, der tilbyder spændende nye muligheder inden for kold kemi, præcisionsmålinger og i kvanteinformationsbehandling. Deres høje kompleksitet sammenlignet med diatomiske molekyler udgør imidlertid en stor udfordring for anvendelsen af ​​konventionelle køleteknikker såsom direkte laserkøling og fordampningskøling.

Forskere i "NaK Lab" (natriumkaliumlaboratorium) ved MPQ, ledet af Dr. Xin-Yu Luo, Dr. Timon Hilker og Prof. Immanuel Bloch, har opnået en række banebrydende og Natur -publicerede opdagelser i de senere år, som var afgørende for endelig at overkomme denne udfordring.

Først i 2021 opfandt forskere i dette laboratorium en ny køleteknik til polære molekyler ved hjælp af et højeffekts roterende mikrobølgefelt og satte derved en ny lavtemperaturrekord:21 milliardtedele af en grad over det absolutte nulpunkt ved minus 273,15 grader Celsius.

Et år senere lykkedes det for forskerne at skabe de nødvendige betingelser for for første gang at observere signaturen af ​​binding mellem disse molekyler i spredningsforsøg. Dette gav det første indirekte bevis på eksistensen af ​​disse teoretisk længe forudsagte eksotiske konstruktioner.

Nu er der endda direkte beviser, da forskerne har været i stand til at skabe og stabilisere disse supermolekyler i deres eksperiment. Billeddannelse af disse "supermolekyler" afslørede deres p-bølgesymmetri - en unik egenskab, der er afgørende i realiseringen af ​​topologiske kvantematerialer, som igen kan være relevante for fejltolerante kvanteberegninger.

"Denne forskning vil have umiddelbare og vidtrækkende implikationer," siger Xing-Yan Chen, Ph.D. Kandidat og første forfatter af papiret. "Da metoden er anvendelig til en bred vifte af molekylære arter, giver den mulighed for at udforske en meget større variation af ultrakolde polyatomiske molekyler. I fremtiden kan den give mulighed for at skabe endnu større og længerelevende molekyler, som specifikt ville være interessante for præcision. metrologi eller kvantekemi."

"Vi nåede frem til disse resultater også takket være vores tætte samarbejde med prof. Tao Shi og hans team fra CAS," tilføjer Dr. Luo, den ledende efterforsker af eksperimentet. "Vores næste mål er at køle disse bosoniske 'supermolekyler' yderligere til at danne et Bose-Einstein-kondensat (BEC), hvor molekylerne bevæger sig sammen kollektivt. Denne udsigt rummer et vigtigt potentiale for vores grundlæggende forståelse af kvantefysik. Hvad der er mere fantastisk er, at ved at blot ved at indstille et mikrobølgefelt, kan en BEC af 'supermolekyler' transformeres til en ny kvantevæske af fermioniske molekyler, der bevarer den særlige p-bølgesymmetri."

Flere oplysninger: Xing-Yan Chen et al., Ultracold field-linked tetratomic molecules, Nature (2024). DOI:10.1038/s41586-023-06986-6

Journaloplysninger: Natur

Leveret af Max Planck Society