Pierwsze czwartorzędowe supercząstki atomowe uzyskano w temperaturach nanokelwinów

Zespołowi eksperymentatorów z Instytutu Optyki Kwantowej Maxa Plancka (MPQ) i teoretyków z Chińskiej Akademii Nauk (CAS) po raz pierwszy udało się rozmieścić i ustabilizować nowy typ cząstek, zwany cząstkami tetraatomowymi związanymi z polem. . Te „supercząsteczki” są tak delikatne, że mogą istnieć tylko w ekstremalnie niskich temperaturach. Jego istnienie podejrzewano od dawna, ale nie zostało to jeszcze udowodnione eksperymentalnie.

Cząsteczki wieloatomowe utworzone w ramach tego nowego badania składają się z więcej niż dwóch atomów i zostały pomyślnie schłodzone do temperatury 134 nanokelwinów, czyli 3000 razy niższej niż temperatura wcześniej utworzonych cząsteczek tetraatomowych. To osiągnięcie jest nie tylko nowym przełomem w fizyce molekularnej, ale także ważnym krokiem naprzód w badaniach egzotycznej ultrazimnej materii. Szukaj jest opublikowany W Natura.

Około dwie dekady temu amerykański fizyk teoretyczny John Boone i jego współpracownicy przewidzieli nowy typ powiązania między cząsteczkami polarnymi: jeśli cząsteczki noszą asymetrycznie rozłożony ładunek – co fizycy nazywają polaryzacją – mogą łączyć się w polu elektrycznym, tworząc słabo związane „supercząstki”. ”

Zachowanie tych polarnych cząsteczek można porównać do igieł kompasu wewnątrz solidnej skorupy. Po zbliżeniu do siebie igły kompasu doświadczają silniejszej grawitacji niż ziemskie pole magnetyczne i wskazują na siebie, a nie na północ.

Podobne zjawisko można zaobserwować w przypadku cząsteczek polarnych, które w pewnych warunkach mogą tworzyć unikalny stan wiązania za pomocą sił elektrycznych. Ich więź przypomina nieco tańczącą parę trzymającą się mocno, jednocześnie zachowując pewien dystans.

Stan związany supercząsteczek jest znacznie słabszy niż typowe wiązania chemiczne, ale jednocześnie jest trwalszy. Supercząsteczki mają takie same długości wiązań na odległościach kilkaset razy większych niż cząsteczki normalnie związane.

Ze względu na charakter dalekiego zasięgu te supercząstki są niezwykle wrażliwe: jeśli parametry pola elektrycznego zmienią się nieznacznie przy wartości krytycznej, siły międzycząsteczkowe zmienią się dramatycznie – zjawisko to określa się jako „rezonans związany z polem”. „Dzięki temu badacze mogą elastycznie zmieniać kształt i rozmiar cząsteczek za pomocą pola mikrofalowego.

Spektakl składający się z trzech części: od cząsteczek dwuatomowych do cząsteczek tetraatomowych

Ultrazimne cząsteczki wieloatomowe mają bogatą strukturę wewnętrzną, która zapewnia nowe, ekscytujące możliwości w zimnej chemii, precyzyjnych pomiarach i kwantowym przetwarzaniu informacji. Jednakże ich duża złożoność w porównaniu z cząsteczkami dwuatomowymi stanowi główne wyzwanie dla stosowania konwencjonalnych technik chłodzenia, takich jak bezpośrednie chłodzenie laserowe i chłodzenie wyparne.

Naukowcy z „Laboratorium NaK” (Laboratorium Sodu Potasu) w MPQ, kierowani przez dr Shen-Yu Luo, dr Timona Hilkera i profesora Emmanuela Blocha, przeprowadzili serię pionierskich i innowacyjnych badań. Natura-Odkrycia opublikowane w ostatnich latach, które odegrały kluczową rolę w ostatecznym pokonaniu tego wyzwania.

Po pierwsze, w 2021 roku naukowcy z tego laboratorium opracowali nową technikę chłodzenia cząsteczek polarnych przy użyciu wirującego pola mikrofalowego o wysokiej energii, ustanawiając tym samym nowy rekord niskiej temperatury: 21 miliardowych części stopnia powyżej zera absolutnego przy minus 273,15 stopnia Celsjusza.

Rok później badaczom po raz pierwszy udało się stworzyć warunki niezbędne do zaobserwowania sygnatury wiązania między tymi cząsteczkami w eksperymentach rozpraszania. Dostarczyło to pierwszego pośredniego dowodu na istnienie tych dziwnych struktur, które od dawna przewidywano teoretycznie.

Obecnie istnieją bezpośrednie dowody na to, że naukowcom udało się w swoim eksperymencie stworzyć i ustabilizować te supercząsteczki. Obrazowanie tych „supercząstek” ujawniło ich symetrię fali p, unikalną cechę kluczową dla realizacji topologicznych materiałów kwantowych, która z kolei może mieć znaczenie w obliczeniach kwantowych odpornych na uszkodzenia.

„Te badania będą miały natychmiastowe i dalekosiężne implikacje” – mówi dr Xingyan Chen. kandydat i pierwszy autor artykułu. „Ponieważ metodę tę można zastosować do szerokiego zakresu gatunków molekularnych, pozwala ona na badanie znacznie większego zakresu ultrazimnych cząsteczek wieloatomowych. W przyszłości może pozwolić na tworzenie większych, dłużej żyjących cząsteczek, co będzie szczególnie interesujące w jeśli chodzi o precyzję.” Nauka Pomiary lub chemia kwantowa.”

„Osiągnęliśmy takie wyniki także dzięki naszej ścisłej współpracy z profesorem Tao Shi i jego zespołem z Chińskiej Akademii Nauk” – dodaje dr Luo, główny badacz badania. „Naszym następnym celem jest dalsze schładzanie tych bozonowych «supercząstek» w celu utworzenia kondensatu Bosego-Einsteina (BEC), w którym cząstki poruszają się wspólnie. Możliwość ta niesie ze sobą istotny potencjał dla naszego podstawowego zrozumienia fizyki kwantowej. Najbardziej zaskakujące jest to, że po prostu „Dostosowując pole mikrofalowe, BEC„ supercząstek ”może przekształcić się w nowy płyn kwantowy składający się z cząstek fermionowych, które zachowują swoją specjalną symetrię fali p”.