JILA-onderzoekers hebben tools ontwikkeld om kwantumgassen van ultrakoude moleculen aan te zetten, controle krijgen over moleculaire interacties op lange afstand voor mogelijke toepassingen zoals het coderen van gegevens voor kwantumcomputers en simulaties.

Het nieuwe schema om een ​​moleculair gas naar zijn laagste energietoestand te duwen, kwantumdegeneratie genoemd, terwijl het onderdrukken van chemische reacties die moleculen opsplitsen het uiteindelijk mogelijk maakt om exotische kwantumtoestanden te verkennen waarin alle moleculen met elkaar interageren.

Het onderzoek wordt beschreven in het nummer van 10 december van: Natuur . JILA is een gezamenlijk instituut van het National Institute of Standards and Technology (NIST) en de University of Colorado Boulder.

"Moleculen worden altijd gevierd vanwege hun langeafstandsinteracties, die aanleiding kunnen geven tot exotische kwantumfysica en nieuwe controle in de kwantuminformatiewetenschap, "NIST/JILA-collega Jun Ye zei. "Echter, tot nu, niemand had bedacht hoe deze langeafstandsinteracties in een bulkgas konden worden ingeschakeld."

"Nutsvoorzieningen, dit alles is veranderd. Ons werk toonde voor het eerst aan dat we een elektrisch veld kunnen aanzetten om moleculaire interacties te manipuleren, laat ze verder afkoelen, en begin met het verkennen van collectieve fysica waar alle moleculen aan elkaar zijn gekoppeld."

Het nieuwe werk is een vervolg op Ye's vele eerdere prestaties met ultrakoude kwantumgassen. Onderzoekers hebben lang geprobeerd ultrakoude moleculen te controleren op dezelfde manier als atomen. Moleculen bieden extra controlemiddelen, inclusief polariteit - dat wil zeggen, tegengestelde elektrische ladingen - en veel verschillende trillingen en rotaties.

De JILA-experimenten creëerden een dicht gas van ongeveer 20, 000 gevangen kalium-rubidium-moleculen bij een temperatuur van 250 nanokelvin boven het absolute nulpunt (ongeveer min 273 graden Celsius of min 459 graden Fahrenheit). Cruciaal, deze moleculen zijn polair, met een positieve elektrische lading aan het rubidiumatoom en een negatieve lading aan het kaliumatoom. De verschillen tussen deze positieve en negatieve ladingen, elektrische dipoolmomenten genoemd, ervoor zorgen dat de moleculen zich gedragen als kleine kompasmagneten die gevoelig zijn voor bepaalde krachten, in dit geval elektrische velden.

Wanneer het gas wordt afgekoeld tot bijna het absolute nulpunt, de moleculen gedragen zich niet langer als deeltjes en gedragen zich in plaats daarvan als golven die elkaar overlappen. De moleculen blijven uit elkaar omdat het fermionen zijn, een klasse van deeltjes die niet tegelijkertijd in dezelfde kwantumtoestand en locatie kunnen zijn en elkaar daarom afstoten. Maar ze kunnen op grote afstand interageren door hun overlappende golven, elektrische dipoolmomenten en andere kenmerken.

Vroeger, JILA-onderzoekers creëerden kwantumgassen van moleculen door een gas te manipuleren dat beide soorten atomen bevat met een magnetisch veld en lasers. Deze keer laadden de onderzoekers het mengsel van gasvormige atomen eerst in een verticale stapel dunne, pannenkoekvormige vallen gevormd uit laserlicht (een optisch rooster genoemd), de atomen stevig opsluiten in de verticale richting. Onderzoekers gebruikten vervolgens magnetische velden en lasers om paren atomen aan elkaar te binden tot moleculen. Overgebleven atomen werden verwarmd en verwijderd door een laser af te stemmen om beweging op te wekken die uniek is voor elk type atoom.

Vervolgens, met de moleculaire wolk gepositioneerd in het midden van een nieuw samenstel van zes elektroden gevormd door twee glasplaten en vier wolfraamstaven, onderzoekers genereerden een afstembaar elektrisch veld.

Het elektrische veld veroorzaakte afstotende interacties tussen de moleculen die het gas stabiliseerden, het verminderen van inelastische ("slechte") botsingen waarbij de moleculen een chemische reactie ondergaan en uit de val ontsnappen. Deze techniek verhoogde de snelheid van elastische ("goede") interacties meer dan honderdvoudig terwijl chemische reacties werden onderdrukt.

Deze omgeving maakte een efficiënte verdampingskoeling van het gas mogelijk tot een temperatuur onder het begin van kwantumdegeneratie. Het koelproces verwijderde de heetste moleculen uit de tralieval en zorgde ervoor dat de resterende moleculen zich konden aanpassen aan een lagere temperatuur door de elastische botsingen. Het langzaam inschakelen van een horizontaal elektrisch veld gedurende honderden milliseconden verminderde de valsterkte in één richting, lang genoeg om hete moleculen te laten ontsnappen en de resterende moleculen af ​​te koelen. Aan het einde van dit proces, de moleculen keerden terug naar hun meest stabiele toestand, maar nu in een dichter gas.

De nieuwe JILA-methode kan worden toegepast om van andere soorten polaire moleculen ultrakoude gassen te maken.

Ultrakoude moleculaire gassen kunnen veel praktische toepassingen hebben, inclusief nieuwe methoden voor kwantumcomputing met polaire moleculen als kwantumbits; simulaties en beter begrip van kwantumfenomenen zoals kolossale magnetoweerstand (voor verbeterde gegevensopslag en -verwerking) en supergeleiding (voor perfect efficiënte elektrische energietransmissie); en nieuwe instrumenten voor precisiemetingen zoals moleculaire klokken of moleculaire systemen die het zoeken naar nieuwe natuurkundige theorieën mogelijk maken.