Перші четвертинні атомні суперчастинки були отримані при нанокельвінових температурах

Групі експериментаторів з Інституту квантової оптики Макса Планка (MPQ) і теоретиків з Китайської академії наук (CAS) вперше вдалося розгорнути та стабілізувати новий тип частинок, які називаються тетраатомними частинками, пов’язаними з полем. . Ці «супермолекули» настільки крихкі, що можуть існувати лише при надзвичайно низьких температурах. Про його існування давно підозрювали, але експериментально ще не довели.

Багатоатомні молекули, створені в цьому новому дослідженні, складаються з більш ніж двох атомів і були успішно охолоджені до 134 нанокельвінів, що в 3000 разів нижче, ніж температура створених раніше чотирьохатомних молекул. Це досягнення є не тільки новим проривом у молекулярній фізиці, а й важливим кроком вперед у вивченні екзотичної ультрахолодної матерії. Пошук є опубліковано в природи.

Близько двох десятиліть тому американський фізик-теоретик Джон Бун та його колеги передбачили новий тип асоціації між полярними молекулами: якщо молекули несуть асиметрично розподілений заряд — те, що фізики називають полярністю, — вони можуть зливатися в електричному полі, утворюючи слабкозв’язані «суперчастинки». »

Поведінку цих полярних молекул можна розглядати як стрілки компаса всередині твердої оболонки. Коли стрілки компаса розташовані ближче одна до одної, відчувають сильнішу силу тяжіння, ніж магнітне поле Землі, і вказують одна на одну, а не на північ.

Подібне явище можна спостерігати з полярними молекулами, які за певних умов можуть утворювати унікальний стан зв’язку за допомогою електричних сил. Їхній зв'язок чимось нагадує танцюючу пару, яка міцно тримається один за одного і в той же час постійно дотримується певної дистанції.

Зв'язаний стан супермолекул набагато слабший, ніж типові хімічні зв'язки, але в той же час він також довготривалий. Довжина зв’язків між супермолекулами на відстанях у кілька сотень разів більша, ніж зв’язані між собою молекули.

Через таку природу великої дії ці суперчастинки надзвичайно чутливі: якщо параметри електричного поля трохи змінюються на критичному значенні, міжмолекулярні сили різко змінюються – це явище називається «резонансом, пов’язаним із полем». «Це дозволяє дослідникам гнучко змінювати форму та розмір молекул за допомогою мікрохвильового поля.

П'єса в трьох частинах: від двоатомних молекул до чотириатомних молекул

Ультрахолодні багатоатомні молекули мають багату внутрішню структуру, яка надає захоплюючі нові можливості в холодній хімії, точних вимірюваннях і квантовій обробці інформації. Однак їх висока складність порівняно з двоатомними молекулами створює серйозну проблему для використання звичайних методів охолодження, таких як пряме лазерне охолодження та охолодження випаровуванням.

Дослідники «NaK Laboratory» (Лабораторія натрію і калію) MPQ під керівництвом доктора Шен-Ю Луо, доктора Тімона Гілкера та професора Еммануеля Блоха здійснили серію новаторських та інноваційних досліджень. природи– Відкриття, опубліковані в останні роки, які мали вирішальне значення для остаточного подолання цієї проблеми.

По-перше, у 2021 році дослідники цієї лабораторії винайшли нову техніку охолодження полярних молекул за допомогою високоенергетичного обертового мікрохвильового поля, таким чином встановивши новий рекорд низьких температур: 21 мільярдну частку градуса вище абсолютного нуля при мінус 273,15 градусах Цельсія.

Через рік дослідникам вдалося вперше створити умови, необхідні для спостереження зв’язувального підпису між цими молекулами в експериментах з розсіювання. Це стало першим непрямим доказом існування цих дивних структур, які давно передбачалися теоретично.

Тепер є прямі докази того, що дослідники змогли створити та стабілізувати ці супермолекули в своєму експерименті. Зображення цих «суперчастинок» виявило їх р-хвильову симетрію, унікальну особливість, яка має вирішальне значення для реалізації топологічних квантових матеріалів, які, у свою чергу, можуть бути актуальними для відмовостійких квантових обчислень.

«Це дослідження матиме негайні та далекосяжні наслідки», — говорить Xingyan Chen, Ph.D. кандидат і перший автор статті. “Оскільки цей метод застосовний до широкого спектру молекулярних видів, він дозволяє досліджувати набагато більший діапазон ультрахолодних багатоатомних молекул. У майбутньому він може дозволити створювати більші, довгоживучі молекули, які будуть особливо цікаві в терміни точності.» Наукові вимірювання або квантова хімія.»

«Ми також досягли цих результатів завдяки нашій тісній співпраці з професором Тао Ши та його командою з Академії наук Китаю», — додає доктор Луо, провідний дослідник дослідження. “Наша наступна мета полягає в подальшому охолодженні цих бозонних “суперчастинок” для утворення конденсату Бозе-Ейнштейна (BEC), в якому частинки рухаються разом колективно. Ця можливість містить важливий потенціал для нашого фундаментального розуміння квантової фізики. Найбільш дивним є те, що просто «Налаштувавши мікрохвильове поле, BEC «суперчастинок» може перетворитися на нову квантову рідину ферміонних частинок, які зберігають свою особливу p-хвильову симетрію».