JILA-onderzoekers hebben een langlevende, recordkoud gas van moleculen die de golfpatronen van de kwantummechanica volgen in plaats van het strikt deeltjeskarakter van de gewone klassieke fysica. De creatie van dit gas vergroot de kansen op vooruitgang op gebieden zoals designerchemie en kwantumcomputers.

Zoals vermeld op de omslag van het nummer van 22 februari van: Wetenschap , het team produceerde een gas van kalium-rubidium (KRb) -moleculen bij temperaturen zo laag als 50 nanokelvin (nK). Dat is 50 miljardste van een Kelvin, of slechts een greintje boven het absolute nulpunt, de laagst theoretisch mogelijke temperatuur. De moleculen bevinden zich in de laagst mogelijke energietoestanden, wat bekend staat als een gedegenereerd Fermi-gas.

In een kwantumgas, alle eigenschappen van de moleculen zijn beperkt tot specifieke waarden, of gekwantiseerd, zoals sporten op een ladder of noten op een toonladder. Door het gas af te koelen tot de laagste temperaturen hebben onderzoekers maximale controle over de moleculen. De twee betrokken atomen zijn in verschillende klassen:Kalium is een fermion (met een oneven aantal subatomaire componenten die protonen en neutronen worden genoemd) en rubidium is een boson (met een even aantal subatomaire componenten). De resulterende moleculen hebben een Fermi-karakter.

JILA wordt gezamenlijk beheerd door het National Institute of Standards and Technology (NIST) en de University of Colorado Boulder. NIST-onderzoekers bij JILA werken al jaren aan het begrijpen en beheersen van ultrakoude moleculen, die complexer zijn dan atomen omdat ze niet alleen veel interne energieniveaus hebben, maar ook roteren en trillen. Het JILA-team maakte 10 jaar geleden hun eerste moleculaire gas.

"De basistechnieken voor het maken van het gas zijn dezelfde die we eerder hebben gebruikt, maar we hebben een paar nieuwe trucs, zoals het aanzienlijk verbeteren van de koeling van de atomen, het creëren van meer van hen in de staat met de laagste energie, "NIST/JILA Fellow Jun Ye zei. "Dit resulteert in een hogere conversie-efficiëntie, zodat we meer moleculen krijgen."

Het JILA-team produceerde 100, 000 moleculen bij 250 nK en maar liefst 25, 000 moleculen bij 50 nK.

Voor nu, de koudste twee-atoommoleculen werden geproduceerd in maximale aantallen van tienduizenden en bij temperaturen niet lager dan een paar honderd nanoKelvin. JILA's laatste gastemperatuurrecord is veel lager dan (ongeveer een derde van) het niveau waarop kwantumeffecten het overnemen van klassieke effecten, en de moleculen gaan een paar seconden mee - opmerkelijke levensduur, zei je.

Het nieuwe gas is het eerste dat koud en dicht genoeg wordt om de materiegolven van deze moleculen langer te laten zijn dan de afstanden ertussen. waardoor ze elkaar overlappen om een ​​nieuwe entiteit te creëren. Wetenschappers noemen dit kwantumdegeneratie. (Kwantummaterie kan zich gedragen als deeltjes of materiegolven, dat is, golfvormpatronen van de waarschijnlijkheid van de locatie van een deeltje).

Kwantumdegeneratie betekent ook een toename van de afstoting tussen fermionische deeltjes, die toch meestal eenlingen zijn, wat resulteert in minder chemische reacties en een stabieler gas. Dit is het eerste experiment waarin wetenschappers collectieve kwantumeffecten hebben waargenomen die rechtstreeks van invloed zijn op de chemie van individuele moleculen, zei je.

"Dit is het eerste kwantum gedegenereerde gas van stabiele moleculen in bulk, en de chemische reacties worden onderdrukt - een resultaat dat niemand had voorspeld, " zei je.

De moleculen die in dit experiment zijn gemaakt, worden polaire moleculen genoemd omdat ze een positieve elektrische lading hebben bij het rubidium-atoom en een negatieve lading bij het kaliumatoom. Hun interacties variëren per richting en kunnen worden gecontroleerd met elektrische velden. Polaire moleculen bieden dus meer afstembare, sterkere interacties en extra controle "knoppen" vergeleken met neutrale deeltjes.

Deze nieuwe ultralage temperaturen zullen onderzoekers in staat stellen chemische reacties in kwantum- versus klassieke omgevingen te vergelijken en te bestuderen hoe elektrische velden de polaire interacties beïnvloeden. Eventuele praktische voordelen kunnen nieuwe chemische processen, nieuwe methoden voor kwantumcomputing met geladen moleculen als kwantumbits, en nieuwe precisiemeetinstrumenten zoals moleculaire klokken.

Het proces voor het maken van de moleculen begint met een gasmengsel van zeer koude kalium- en rubidiumatomen opgesloten door een laserstraal. Door een nauwkeurig afgestemd magnetisch veld over de atomen te vegen, wetenschappers creëren grote, zwak gebonden moleculen die één atoom van elk type bevatten. Deze techniek is ontwikkeld door Ye's collega, wijlen Deborah Jin, in haar demonstratie in 2003 van 's werelds eerste Fermi-condensaat.

Om deze relatief pluizige moleculen om te zetten in strak gebonden moleculen zonder het gas te verwarmen, wetenschappers gebruiken twee lasers die op verschillende frequenties werken - elk resonerend met een andere energiesprong in de moleculen - om de bindingsenergie om te zetten in licht in plaats van in warmte. De moleculen absorberen nabij-infrarood laserlicht en geven rood licht af. In het proces, 90 procent van de moleculen wordt omgezet via een tussenliggende energietoestand, naar het laagste en meest stabiele energieniveau.