Första tetraatomiska supermolekyler gjorda vid nanokelvintemperaturer

By | February 1, 2024

Den här artikeln har granskats i enlighet med Science X:s redaktionella process och policys. Redaktörerna har lyft fram följande attribut samtidigt som de säkerställer innehållets trovärdighet:

verifierad

peer reviewed publikation

pålitlig källa

korrekt


Två diatomiska molekyler möts i en intermolekylär potential, här representerad av järnpulver som indikerar fältlinjerna genom vilka två molekyler binder. Kredit: © Christoph Hohmann, MCQST

× nära


Två diatomiska molekyler möts i en intermolekylär potential, här representerad av järnpulver som indikerar fältlinjerna genom vilka två molekyler binder. Kredit: © Christoph Hohmann, MCQST

Ett team av experimentörer från Max Planck Institute for Quantum Optics (MPQ) och teoretiker från den kinesiska vetenskapsakademin (CAS) har för första gången lyckats befolka och stabilisera en ny typ av molekyl, den så kallade fältbundna tetraatomen molekyler. . Dessa “supermolekyler” är så ömtåliga att de bara kan existera vid ultrakalla temperaturer. Dess existens hade misstänkts länge, men hade aldrig påvisats experimentellt… förrän nu.

De polyatomära molekylerna som skapas i denna nya studie består av mer än två atomer och har framgångsrikt kylts till 134 nanokelvin, mer än 3 000 gånger kallare än temperaturen hos tidigare skapade tetraatomiska molekyler. Denna prestation är inte bara en ny bedrift inom molekylär fysik, utan också ett viktigt steg framåt i studiet av exotisk ultrakall materia. Forskningen är publicerad i Natur.

För ungefär två decennier sedan förutspådde den amerikanske teoretiska fysikern John Bohn och hans kollegor en ny typ av bindning mellan polära molekyler: Om molekylerna bär en asymmetriskt fördelad laddning (det fysiker kallar polaritet), kan de kombineras i ett elektriskt fält och bilda “svagt bundna”. supermolekyler. “.

Beteendet hos dessa polära molekyler kan betraktas som nålarna på en kompass i ett hårt skal. När de kommer närmare upplever kompassnålar ett drag som är starkare än jordens magnetfält och pekar mot varandra istället för att ställa sig i linje mot norr.

Ett liknande fenomen kan observeras med polära molekyler, som under specifika förhållanden kan bilda ett unikt bundet tillstånd genom elektriska krafter. Deras band påminner lite om ett danspar som kramar varandra hårt samtidigt som de hela tiden håller en viss distans.

Det bundna tillståndet hos supermolekyler är mycket svagare än typiska kemiska bindningar, men samtidigt har det en mycket längre räckvidd. Supermolekyler delar bindningslängden över avstånd som är flera hundra gånger längre än normalt bundna molekyler.

På grund av denna långväga natur är dessa supermolekyler mycket känsliga: om parametrarna för det elektriska fältet ändras bara lite vid ett kritiskt värde, förändras krafterna mellan molekylerna dramatiskt, ett fenomen som kallas “fältbunden resonans”. “Detta tillåter forskare att flexibelt variera formen och storleken på molekyler med ett mikrovågsfält.

En pjäs i tre delar: Från diatomiska till tetraatomiska molekyler

Ultrakalla polyatomiska molekyler innehåller en rik inre struktur som erbjuder spännande nya möjligheter inom kall kemi, precisionsmätningar och kvantinformationsbehandling. Men dess höga komplexitet jämfört med diatomiska molekyler utgör en betydande utmaning för användningen av konventionella kyltekniker, såsom direkt laserkylning och evaporativ kylning.

Forskare vid MPQ “NaK Lab”, ledd av Dr. Xin-Yu Luo, Dr. Timon Hilker och Prof. Immanuel Bloch, har uppnått en rad banbrytande forskning och Natur-Upptäckter publicerade de senaste åren, som var avgörande för att äntligen övervinna denna utmaning.

Först, 2021, uppfann forskare från detta laboratorium en ny kylningsteknik för polära molekyler med hjälp av ett roterande mikrovågsfält med hög effekt och satte därmed ett nytt lågtemperaturrekord: 21 miljarddelar av en grad över den absoluta nollpunkten vid -273,15 grader Celsius.

Ett år senare lyckades forskarna skapa de nödvändiga förutsättningarna för att för första gången observera bindningssignaturen mellan dessa molekyler i spridningsexperiment. Detta gav det första indirekta beviset för existensen av dessa länge förutspådda teoretiskt exotiska konstruktioner.

Nu finns det till och med direkta bevis för att forskarna har kunnat skapa och stabilisera dessa supermolekyler i sitt experiment. Avbildning av dessa “supermolekyler” avslöjade deras p-vågssymmetri, en unik egenskap som är avgörande för realiseringen av topologiska kvantmaterial, vilket i sin tur kan vara relevant för feltolerant kvantberäkning.

“Denna forskning kommer att få omedelbara och långtgående konsekvenser”, säger Xing-Yan Chen, Ph.D. Kandidat och första författare till artikeln. “Eftersom metoden är tillämpbar på ett brett spektrum av molekylarter gör den det möjligt att utforska en mycket större variation av ultrakalla polyatomiska molekyler. I framtiden kan den göra det möjligt att skapa ännu större och längre livslängd molekyler som skulle vara speciellt intressant för precisionsmetrologi. eller kvantkemi.”

“Vi nådde dessa fynd också tack vare vårt nära samarbete med professor Tao Shi och hans team vid CAS,” tillägger Dr. Luo, huvudforskare av experimentet. “Vårt nästa mål är att ytterligare kyla ned dessa bosoniska 'supermolekyler' för att bilda ett Bose-Einstein-kondensat (BEC), där molekylerna rör sig tillsammans. Detta perspektiv har en viktig potential för vår grundläggande förståelse av kvantfysik. Vad som är mer överraskande är att genom att helt enkelt ställa in ett mikrovågsfält kan en BEC av 'supermolekyler' omvandlas till en ny kvantvätska av fermioniska molekyler samtidigt som p-vågens speciella symmetri bevaras.”

Mer information:
Xing-Yan Chen et al, tetraatomiska molekyler bundna till ultrakalla fält, Natur (2024). DOI: 10.1038/s41586-023-06986-6

Tidningsinformation:
Natur

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *