Fyzici v Kolumbijská univerzita Doviedli molekuly do nového, ultrachladného extrému a vytvorili stav hmoty, kde vládne kvantová mechanika.

V meste je nový vzrušujúci BEC, ktorý nemá nič spoločné so slaninou, vajcami a syrom. Nenájdete ho vo vašom miestnom obchodnom dome, ale na najchladnejšom mieste v New Yorku: v laboratóriu fyzika Sebastiana Weyla z Kolumbijskej univerzity, ktorého experimentálna skupina sa špecializuje na posúvanie atómov a molekúl na teploty len o zlomky stupňa vyššie. Absolútna nula.

Vpísať prírodyWeyl Lab, s podporou teoretického spolupracovníka Tijsa Karmana z Radboud University v Holandsku, podarilo vytvoriť jedinečný kvantový stav hmoty nazývaný Bose-Einsteinov kondenzát (BEC) z molekúl.

Prielom v Bose-Einsteinových kondenzátoch

Ich BEC je ochladený len na päť nanokelvinov alebo asi -459,66 stupňov Fahrenheita, je stabilný na pozoruhodne dlhé dve sekundy a je vyrobený z molekúl sodíka a cézia. Rovnako ako molekuly vody, tieto molekuly sú polárne, čo znamená, že nesú kladný aj záporný náboj. Weil poznamenal, že nevyvážené rozloženie elektrického náboja uľahčuje interakcie na veľké vzdialenosti, ktoré tvoria najzaujímavejšiu fyziku.

Výskum, ktorý Weill Lab s nadšením sleduje s Bose-Einstein Molecular, zahŕňa skúmanie množstva rôznych kvantových javov, vrátane nových typov supratekutosti, stavu hmoty, ktorý prúdi bez akéhokoľvek trenia. Tiež dúfajú, že premenia svoje Bose-Einsteiny na simulátory, ktoré dokážu obnoviť záhadné kvantové vlastnosti zložitejších materiálov, ako sú pevné kryštály.

S pomocou mikrovĺn vytvorili fyzici z Kolumbie Bose-Einsteinov kondenzát, jedinečný stav hmoty, z molekúl sodíka a cézia. Obrazový kredit: Well Lab, Columbia University/Miles Marshall

„Molekulárne Bose-Einsteinove kondenzáty otvárajú úplne nové oblasti výskumu, od skutočného pochopenia základnej fyziky až po vývoj výkonných kvantových simulácií,“ povedal. „Je to vzrušujúci úspech, ale v skutočnosti je to len začiatok.“

Pre Weill Lab je to splnený sen a pre väčšiu ultrachladnú výskumnú komunitu sa pripravuje desaťročie.

Ultrachladné molekuly, vo výrobe storočie

Veda o BEC siaha storočie späť k fyzikom Satyendra Nath Bose a Albert Einstein. V sérii článkov publikovaných v rokoch 1924 a 1925 predpovedali, že súbor častíc ochladených takmer na pokoj sa zlúči do jedného väčšieho atómu so spoločnými vlastnosťami a správaním, ktoré diktujú zákony 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 uplynulo asi 70 rokov, ale prvé atómové BEC boli vytvorené v roku 1995. Tento úspech bol ocenený Nobelovou cenou za fyziku v roku 2001, približne v čase, keď Weyl začínal s fyzikou na univerzite v Mainzi. V Nemecku. Laboratóriá teraz bežne vyrábajú atómy Bose-Einstein z niekoľkých 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, aby sme vymenovali aspoň niektoré.

Zľava doprava: Vedec pre výskum Ian Stevenson; doktorand Niccolò Bigagli; doktorand Weijun Yuan; vysokoškolský študent Boris Bulatovič; doktorand Siwei Zhang; a vedúci vyšetrovateľ Sebastian Weil. Nezobrazené: Tejce Kerman. Kredit: Columbia University

Ale atómy sú vo veľkej schéme vecí relatívne jednoduché. Sú to okrúhle objekty a zvyčajne neobsahujú interakcie, ktoré by mohli vyplynúť z polarity. Odkedy boli dosiahnuté prvé atómové BEC, vedci chceli vytvoriť zložitejšie verzie z molekúl. Ukázalo sa však, že dokonca aj jednoduché dvojatómové molekuly zložené z dvoch atómov rôznych prvkov spojených dohromady je ťažké ochladiť pod teplotu potrebnú na vytvorenie správneho BEC.

Prvý prelom nastal v roku 2008, keď Deborah Jin a Jun Yi, fyzici z Gila Institute v Boulder, Colorado, 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, štúdium molekulárnych zrážok a kvantovej chémie, ale na prekročenie prahu BEC boli potrebné nižšie teploty.

V roku 2023 vytvoril Will's Lab Prvý extrémne studený plyn molekuly, ktorú si vybrali, sodíka a cézia, pomocou kombinácie laserového chladenia a magnetickej manipulácie, podobne ako v prístupe Jin Wei. Aby bolo chladnejšie, priniesli mikrovlnky.

Inovácie s mikrovlnnou rúrou

Mikrovlny sú formou elektromagnetického žiarenia a majú v Kolumbii dlhú históriu. V 30. rokoch 20. storočia fyzik Isidore Isaac Rabi, ktorý neskôr získal Nobelovu cenu za fyziku, vykonal priekopnícku prácu v oblasti mikrovĺn, ktorá viedla k vývoju vzdušných radarových systémov. „Rabe bol jedným z prvých, ktorí zvládli kvantové stavy molekúl a bol priekopníkom v mikrovlnnom výskume,“ povedal Weil. „Naše podnikanie nadväzuje na túto 90-ročnú tradíciu.“

Hoci možno poznáte úlohu mikrovĺn pri ohreve jedla, ukázalo sa, že môžu tiež uľahčiť proces chladenia. 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 im zabránia v zrážke, čo navrhol Karman, ich kolega v Holandsku. S molekulami chránenými pred zmeškanými kolíziami je možné zo vzorky prednostne odstrániť iba tie najhorúcejšie molekuly, čo je rovnaký fyzikálny princíp, ktorý ochladzuje vašu šálku kávy, keď na ňu fúkate, vysvetľuje autor Niccolò Bigagli. Tieto zostávajúce molekuly budú chladnejšie a celková teplota vzorky sa zníži.

Tím sa priblížil k vytvoreniu molekulárneho BEC minulú jeseň v práci publikovanej v r Fyzika prírody Ktorý zaviedol metódu mikrovlnného tienenia. Bol však potrebný ďalší experimentálny vývoj. Keď pridali druhé mikrovlnné pole, chladenie sa stalo efektívnejším a cézium sodík konečne prekročil prah BEC, čo je cieľ, ktorý Weillovo laboratórium dosiahlo od 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 ešte nemáme laboratórium, k týmto úžasným výsledkom.“

Okrem zníženia zrážok môže druhé mikrovlnné pole riadiť aj orientáciu molekúl. Toto je zase spôsob, ako kontrolovať, ako interagujú, čo laboratórium v ​​súčasnosti skúma. „Dúfame, že ovládaním týchto dipólových interakcií vytvoríme nové kvantové stavy a fázy hmoty,“ povedal Ian Stevenson, spoluautor a postdoktorandský výskumník na Kolumbijskej univerzite.

Otvára sa nový svet kvantovej fyziky

Yi, priekopník ultrachladnej vedy so sídlom v Boulder, považuje výsledky za krásny kus vedy. „Práca bude mať dôležité dôsledky pre množstvo vedeckých oblastí vrátane štúdia kvantovej chémie a skúmania silne spojených kvantových materiálov,“ uviedol. „Weillov experiment obsahuje presnú kontrolu molekulárnych interakcií, ktoré vedú systém k požadovanému výsledku, čo je pozoruhodný úspech v technológii kvantového riadenia.“

Medzitým je tím Columbia nadšený, že má experimentálne overený teoretický popis medzimolekulových interakcií. „Už máme dobrú predstavu o interakciách v tomto systéme, čo je tiež kľúčové pre ďalšie kroky, ako je skúmanie fyziky multipolárnych telies,“ povedal Kerman. „Prišli sme so schémami na riadenie reakcií, teoreticky sme ich otestovali a implementovali do experimentu. Bol to naozaj skvelý zážitok vidieť tieto myšlienky mikrovlnnej 'ochrany' realizované v laboratóriu.“

Existujú desiatky teoretických predpovedí, ktoré je teraz možné experimentálne testovať pomocou molekulárnych BEC, na ktoré spolu prvý autor a doktorand Siwei Zhang poukazuje, že sú celkom stabilné. Väčšina ultrachladných experimentov sa vykonáva do jednej sekundy, niektoré trvajú len niekoľko milisekúnd, ale molekulárne reakcie BEC v laboratóriu trvajú viac ako dve sekundy. „To nám umožní preskúmať otvorené otázky v kvantovej fyzike,“ povedal.

Jedným z nápadov je vytvoriť umelé kryštály Bose-Einstein uväznené v optickej mriežke vyrobenej z laserov. To by umožnilo výkonné kvantové simulácie, ktoré napodobňujú interakcie v prírodných kryštáloch, poznamenal Weil, a sú ohniskovou oblasťou fyziky kondenzovaných látok. Kvantové simulátory sa bežne vyrábajú pomocou atómov, ale atómy majú interakcie s krátkym dosahom – kde musia byť prakticky na sebe – čo obmedzuje rozsah, v akom môžu modelovať zložitejšie materiály. „Molekulárny BEC dodá viac chuti,“ povedal Weil.

To zahŕňa rozmery, povedal spolu prvý autor a doktorand Weijun Yuan. „Chceli by sme použiť BEC v 2D systéme, keď prejdete z 3D na 2D, vždy môžete očakávať, že sa objavia nové 2D materiály, ktoré sú hlavnou oblasťou výskumu na Kolumbijskej univerzite BEC by mohli pomôcť Weilovi a jeho kolegom v oblasti intenzívneho skúmania kvantových javov vrátane supravodivosti, supratekutosti a ďalších.

„Zdá sa, že sa otvára úplne nový svet možností,“ povedal Will.

Odkaz: „Pozorovanie Bose-Einsteinových kondenzátov dipólových častíc“ od Niccolò Bigagli, Weijun Yuan, Siwei Zhang, Boris Bulatovic, Tess Carman, Ian Stevenson a Sebastian Weyl, 3. júna 2024, prírody.
doi: 10.1038/s41586-024-07492-z