V Kolumbii sa objavil jedinečný kvantový stav hmoty

fyzikov Kolumbijská univerzita Molekuly sa dostali na nový ultrachladný limit a vytvorili stav hmoty, kde vládne kvantová mechanika.

V meste je nový horúci BEC, ktorý nemá nič spoločné so slaninou, vajíčkami a syrom. Nenájdete ho vo vašej miestnej pivnici, ale na najchladnejšom mieste v New Yorku: v laboratóriu kolumbijského fyzika Sebastiana Willa, ktorého experimentálna skupina sa špecializuje na vytláčanie atómov a molekúl na teploty len jeden stupeň nad bodom mrazu. absolútna nula,

v písaní PrírodaLaboratórium Will v spolupráci s teoretickým kolegom Tijsom Carmanom z Radboud University v Holandsku úspešne vytvorilo jedinečný kvantový stav hmoty nazývaný Bose-Einsteinov kondenzát (BEC) z molekúl.

Prielom v Bose-Einsteinovom kondenzáte

Ich BEC, ktorý bol ochladený len na päť nanokelvinov alebo asi -459,66 °F a ktorý je prekvapivo stabilný dve sekundy, je vyrobený z molekúl sodíka a cézia. Rovnako ako molekuly vody, tieto molekuly sú polárne, čo znamená, že nesú pozitívne aj negatívne náboje. Will povedal, že nevyvážené rozloženie elektrického náboja uľahčuje interakcie na veľké vzdialenosti, ktoré tvoria najzaujímavejšiu fyziku.

Výskum, ktorý Will Lab s nadšením sleduje so svojím molekulárnym BEC, zahŕňa skúmanie mnohých rôznych kvantových javov, vrátane nových typov supratekutosti, stavu hmoty, ktorý prúdi bez akéhokoľvek trenia. Tiež dúfajú, že premenia svoj BEC na simulátor, ktorý dokáže obnoviť záhadné kvantové vlastnosti zložitejších materiálov, ako sú pevné kryštály.

S pomocou mikrovĺn vytvorili fyzici z Kolumbie Bose-Einsteinov kondenzát z molekúl sodíka a cézia, čo je jedinečný stav hmoty. Poďakovanie: Will Lab, Columbia University/Miles Marshall

„Molekulárny Bose-Einsteinov kondenzát otvára nové oblasti výskumu, od pochopenia skutočnej základnej fyziky až po vedúce výkonné kvantové simulácie,“ povedal. „Je to vzrušujúci úspech, ale v skutočnosti je to len začiatok.“

Pre Will Lab je to splnený sen, ktorý väčšia ultrachladná výskumná komunita pripravovala desaťročia.

Ultrachladné molekuly, vo výrobe storočie

Veda o BEC siaha storočie do čias fyzikov Satyendra Natha Boseho a Alberta Einsteina. V niekoľkých článkoch publikovaných v rokoch 1924 a 1925 predpovedal, že skupina častíc ochladených na takmer ustálený stav sa zlúči do jednej veľkej superentity so spoločnými vlastnosťami a správaním určeným zákonmi kvantovej mechaniky. Ak by bolo možné vytvoriť BEC, poskytli by výskumníkom atraktívnu platformu na skúmanie kvantovej mechaniky v dostupnejšom meradle ako jednotlivé atómy alebo molekuly.

Od týchto prvých teoretických predpovedí trvalo takmer 70 rokov, ale prvý jadrový BEC bol postavený v roku 1995. Tento úspech bol ocenený Nobelovou cenou za fyziku v roku 2001, práve keď Will začínal s fyzikou na univerzite v Mainzi v Nemecku. Laboratóriá teraz bežne vytvárajú jadrové BEC z mnohých rôznych typov atómov. Tieto BEC rozšírili naše chápanie pojmov, ako je vlnová povaha hmoty a supratekutých látok, a viedli k vývoju technológií, ako sú kvantové plynové mikroskopy a kvantové simulátory.

Zľava doprava: Vedec pre výskum Ian Stevenson; doktorand Nicolo Bigagli; doktorand Weijun Yuan; vysokoškolský študent Boris Bulatovič; doktorand Siwei Zhang; a hlavný vyšetrovateľ Sebastian Will. Nezobrazené: Tijs Carman. Kredit: Columbia University

Ale atómy sú vo veľkej schéme vecí relatívne jednoduché. Sú to okrúhle objekty a vo všeobecnosti nemajú interakcie, ktoré by mohli vyplynúť z polarity. Odkedy boli realizované prvé atómové BEC, vedci chceli vytvoriť zložitejšie verzie z molekúl. Ukázalo sa však, že dokonca aj jednoduché dvojatómové molekuly vyrobené z dvoch atómov rôznych prvkov spojených dohromady sa ťažko ochladzujú pod teploty potrebné na vytvorenie správneho BEC.

Prvý prelom nastal v roku 2008, keď fyzici Deborah Jin a Jun Ye z JILA v Boulder v Colorade ochladili plyn s molekulami draslíka a rubídia na približne 350 nanokelvinov. Takéto ultrachladné molekuly sa v posledných rokoch ukázali ako užitočné na vykonávanie kvantových simulácií a štúdium molekulárnych zrážok a kvantovej chémie, ale na prekonanie limitu BEC boli potrebné ešte nižšie teploty.

V roku 2023 vytvoril Will Lab prvý podchladený plyn Ich preferovaná molekula, sodík-cézium, bola vytvorená pomocou kombinácie laserového chladenia a magnetickej manipulácie, podobne ako Jin a Yi. Na ochladenie použil mikrovlnku.

Inovácia s mikrovlnnou rúrou

Mikrovlny sú formou elektromagnetického žiarenia, ktoré má v Kolumbii dlhú históriu. V 30. rokoch 20. storočia fyzik Isidor Isaac Rabi, ktorý neskôr dostal Nobelovu cenu za fyziku, vykonal priekopnícku prácu v oblasti mikrovĺn, čo viedlo k vývoju vzdušných radarových systémov. „Rabi bol jedným z prvých ľudí, ktorí manipulovali s kvantovými stavmi molekúl a bol priekopníkom v mikrovlnnom výskume,“ povedal Will. „Naša práca nadväzuje na túto 90-ročnú tradíciu.“

Aj keď možno poznáte úlohu mikrovĺn pri ohreve jedla, ukázalo sa, že môžu pomôcť aj pri chladení. Jednotlivé molekuly majú tendenciu sa navzájom zrážať a v dôsledku toho vytvárať väčšie komplexy, ktoré miznú zo vzoriek. Mikrovlny môžu okolo každej molekuly vytvoriť malé štíty, ktoré zabránia ich zrážke, čo je nápad, ktorý navrhol Karman, jeho kolega v Holandsku. S molekulami chránenými pred škodlivými zrážkami môžu byť zo vzorky prednostne odstránené iba tie najhorúcejšie – rovnaký fyzikálny princíp, ktorý ochladzuje vašu šálku kávy, keď na ňu fúkate, vysvetlil autor Niccolo Bigagli. Molekuly, ktoré zostanú, sa ochladia a celková teplota vzorky klesne.

Tím sa vo výskume publikovanom minulý rok priblížil k vytvoreniu molekulárneho BEC. fyzika prírody Kto zaviedol metódu mikrovlnného tienenia. Ale bol potrebný ďalší experimentálny obrat. Keď pridali druhú mikrovlnnú zónu, chladenie sa stalo ešte efektívnejším a sodík-cézium konečne prekročilo limity BEC – cieľ, ktorý mal Will Labs na mysli od svojho otvorenia v Kolumbii v roku 2018.

„Bolo to pre mňa skvelé finále,“ povedal Bigagli, ktorý tento rok na jar získal doktorát z fyziky a bol zakladajúcim členom laboratória. „Prešli sme od toho, že sme ešte nezaložili ani jedno laboratórium, k týmto úžasným výsledkom.“

Okrem zníženia zrážok môže druhé mikrovlnné pole tiež manipulovať s orientáciou molekúl. To zase poskytuje prostriedky na kontrolu toho, ako interagujú, čo laboratórium v ​​súčasnosti skúma. „Kontrolou týchto dipólových interakcií dúfame, že vytvoríme nové kvantové stavy a fázy hmoty,“ povedal spoluautor a postdoktor Columbia Ian Stevenson.

Pre kvantovú fyziku sa otvoril nový svet

Priekopníci ultrachladnej vedy so sídlom v Boulderi nazývajú výsledky krásnym kúskom vedy. Poznamenal: „Táto práca bude mať významný vplyv na mnohé vedecké oblasti vrátane štúdia kvantovej chémie a objavu silne korelovaných kvantových materiálov.“ „Willov experiment zahŕňa presnú kontrolu molekulárnych interakcií, ktoré nasmerujú systém k požadovanému výsledku – úžasný úspech v technológii kvantového riadenia.“

Medzitým je tím Columbia nadšený, že má teoretický popis interakcií medzi molekulami, ktorý bol experimentálne overený. „Máme naozaj dobré znalosti o interakciách vyskytujúcich sa v tomto systéme, čo je tiež dôležité pre ďalšie kroky, ako je napríklad skúmanie dipólovej fyziky mnohých telies,“ povedal Karman. „Prišli sme so schémami na kontrolu interakcií, teoreticky sme ich otestovali a implementovali v experimente. Bolo skutočne úžasným zážitkom vidieť tieto nápady na mikrovlnné „tienenie“ ožívať v laboratóriu.“

Existujú desiatky teoretických predpovedí, ktoré je teraz možné experimentálne testovať s molekulárnymi BEC, o ktorých spolu prvý autor a doktorand Siwei Zhang povedal, že sú celkom stabilné. Väčšina ultrachladných experimentov sa uskutoční v priebehu sekundy – niektoré za menej ako niekoľko milisekúnd – ale molekulárne BEC laboratória bežia dlhšie ako dve sekundy. „To nám pomôže preskúmať otvorené otázky v kvantovej fyzike,“ povedal.

Jedným z nápadov je vytvoriť umelé kryštály s BEC zachytenými v laserom generovaných optických mriežkach. Will povedal, že by to umožnilo výkonné kvantové simulácie, ktoré napodobňujú interakcie, ktoré sa vyskytujú v prírodných kryštáloch, čo je kľúčová oblasť fyziky kondenzovaných látok. Kvantové simulátory sú zvyčajne postavené s atómami, ale atómy majú interakcie s krátkym dosahom – prakticky musia byť na sebe – čo obmedzuje, ako dobre môžu modelovať zložitejšie materiály. „Molekulárny BEC ponúkne viac chuti,“ povedal Will.

Spoluprvý autor a doktorand Weijun Yuan povedal, že zahŕňa aj dimenzionalitu. „Chceli by sme použiť BEC v 2D systémoch. Keď prejdete z troch dimenzií do dvoch dimenzií, vždy môžete očakávať, že sa objaví nová fyzika,“ povedal. 2D materiály sú hlavnou oblasťou výskumu v Columbii; Modelový systém vyrobený z molekulárnych BEC by mohol pomôcť Willovi a jeho kolegom s kondenzovanou hmotou preskúmať kvantové javy vrátane supravodivosti, supratekutosti a ďalších.

„Mám pocit, že sa otvára nový svet možností,“ povedal Will.

Odkaz: „Pozorovanie Bose-Einsteinovej kondenzácie dipolárnych molekúl“ od Niccolò Bigagli, Weijun Yuan, Siwei Zhang, Boris Bulatovic, Tijs Karman, Ian Stevenson a Sebastian Will, 3. júna 2024, Príroda,
DOI: 10.1038/s41586-024-07492-z