Binnen het domein van de kwantummechanica, het genereren van kwantumverstrengeling blijft een van de meest uitdagende doelen. verstrikking, simpel gezegd, is wanneer de kwantumtoestand van elk deeltje of een groep deeltjes niet onafhankelijk is van de kwantumtoestanden van andere deeltjes of groepen, zelfs over lange afstanden. Verstrengelde deeltjes hebben fysici altijd gefascineerd, omdat het meten van een verstrengeld deeltje kan leiden tot een verandering in een ander verstrengeld deeltje, door Einstein afgedaan als 'spookachtige actie op afstand'. Tegen deze tijd, natuurkundigen begrijpen dit vreemde effect en hoe ze er gebruik van kunnen maken, bijvoorbeeld om de gevoeligheid van metingen te vergroten. Echter, verstrengelde staten zijn erg kwetsbaar, omdat ze gemakkelijk kunnen worden verstoord door decoherentie. Onderzoekers hebben al verstrengelde toestanden in atomen gecreëerd, fotonen, elektronen en ionen, maar pas onlangs zijn studies begonnen om verstrengeling in gassen van polaire moleculen te onderzoeken.

"Moleculen zijn erg aantrekkelijk voor kwantumsimulatie, kwantum informatie, en precisiemetingen, " verklaarde Dr. Ana Maria Rey, een University of Colorado Boulder Adjoint Professor of Physics en JILA Fellow. De reden is dat moleculen een groot aantal interne vrijheidsgraden hebben die een nuttige hulpbron kunnen zijn voor kwantumdetectie en fundamentele fysica-tests. Een ander voordeel van het gebruik van moleculen in kwantumexperimenten is dat moleculen ook dipolaire interacties op lange afstand hebben:in tegenstelling tot atomen die tegen elkaar moeten botsen om te interageren, moleculen kunnen op afstand interageren. "Moleculen bieden echt grote voordelen ten opzichte van atomen, maar op het zelfde moment, ze zijn echt moeilijk af te koelen. In feite, het koelen van moleculen tot kwantumdegeneratie (toestand bereikt wanneer ze koud genoeg zijn om kwantumeffecten te laten domineren) is al vele jaren een van de meest gewilde uitstekende doelen. De vooruitgang is erg traag, maar het gebeurt nu."

In 2019 JILA Fellow en Adjoint professor voor de Universiteit van Colorado, Kei, juni ja, eindelijk deze belangrijke mijlpaal bereikt. Ye's lab slaagde erin moleculen bestaande uit één rubidium- en één kaliumatoom af te koelen tot kwantumdegeneratie en hun kwantumkarakter te observeren. Recenter, hij heeft dit moleculaire gas samengeperst tot een stapel pannenkoekvormige arrays. Het werk van de groepen Rey's en Ye's onderzoekt de opwindende nieuwe fysica die ontstaat als gevolg van dipolaire interacties in dergelijke pannenkoekvormige arrays.

Het belang van pannenkoekgeometrie

Chemische reacties zijn een van de meest schadelijke vijanden van koelende moleculen. Een paar jaar geleden, het Ye-lab was in staat om chemische reacties te vermijden, terwijl moleculen met elkaar konden interageren via dipolaire interacties door de moleculen in een 3D-rooster te laden. Een 3D-rooster kan worden voorgesteld als een perfect kristal van licht. In een 3D-rooster worden moleculen vastgezet op individuele roosterplaatsen zonder te bewegen. De moleculen interageren vervolgens via dipolaire interacties op dezelfde manier als magneten:wanneer ze naast elkaar worden geplaatst, stoten ze af en wanneer ze kop aan staart worden geplaatst, trekken ze aan. In een 3D-rooster, moleculen ervaren zowel aantrekkelijke als afstotende interacties en als gevolg daarvan heffen de interacties tussen moleculen elkaar gemiddeld op. Bovendien, in het 3D-roosterexperiment was de moleculaire vulfractie erg laag, dat wil zeggen dat de moleculen meestal vrij ver uit elkaar lagen en slechts zeer zwak met elkaar in wisselwerking stonden.

In een recent experiment is echter, de Ye-groep was in staat om de dichtheid te verhogen door een 3D kwantum gedegenereerd gas te comprimeren tot een paar pannenkoeken, elk met een platte 2D-vorm. Binnen een pannenkoek ontdekte de Ye-groep dat het mogelijk is om ongewenste chemische reacties te onderdrukken en bovendien dipoolinteracties sterker te maken. Dit komt omdat in een 2D-configuratie alle moleculen afstoten en de interacties niet uitgemiddeld worden. De opwindende observatie van de onderzoekers is dat de sterke dipolaire interacties in de pannenkoek het gas ook robuust kunnen maken tegen ongewenste defaseringseffecten en chemische reacties. Bilitewski verklaarde:Bij het bestuderen van deze vorm, "conceptueel, en dit is de kern van dit werk, de interacties tussen de moleculen zijn afhankelijk van de kwantumtoestanden waarin ze zich bevinden, en dus op deze opsluiting. Dus, je moet eerst de interacties in deze nieuwe geometrie uitzoeken. Het blijkt dat deze eigenlijk zeer gunstige eigenschappen hebben voor het genereren van de collectieve dynamiek waar we naar op zoek zijn." Maar het nog betere nieuws is dat interacties niet alleen de staat beschermen door de moleculaire dipolen te dwingen om allemaal uitgelijnd te zijn, maar natuurlijk ook verstrengeling creëren. In Bilitewski' woorden:"het voordeel van deze collectieve synchronisatie is dat de verstrengeling die we genereren robuust wordt voor bepaalde effecten die normaal gesproken vernietigd zouden worden." Dergelijke verstrengelde arrays van moleculen zouden toepassingen kunnen hebben voor toekomstige metingen van verschillende hoeveelheden, zoals elektrische velden, met gevoeligheid versterkt door de verstrengeling.

Het werk van de Rey-groep illustreert het belang van geometrische effecten in dipolaire gassen en de opwindende veeldeeltjesfenomenen die nog moeten worden onderzocht zodra moleculen tot kwantumdegeneratie worden gebracht. Bij het theoretiseren over het belang van deze 2D-vorm, Rey zei:"dankzij het geweldige werk van Thomas Bilitewski, we hebben hun kwantumdynamiek kunnen modelleren en laten zien dat het mogelijk moet zijn om ze te verstrengelen, hij berekende alle integralen die nodig zijn om een ​​effectief model te schrijven, loste de bewegingsvergelijkingen op en toonde aan dat alles kan worden gemaakt om verstrengeling te genereren door middel van flip-flop-processen die worden veroorzaakt door dipolaire interacties."

De productie van ultrakoude moleculaire gassen in controleerbare geometrieën duidt op nieuwe ontdekkingen en voorspellingen op het gebied van de kwantummechanica. "Deze waarneming was een demonstratie dat moleculen kwantummagnetisme kunnen onderzoeken, " voegde Rey eraan toe, "Met andere woorden, de moleculen kunnen zich gedragen als kwantummagneten en het gedrag van elektronen in vaste stoffen nabootsen, bijvoorbeeld. In ons recente werk, we hebben een stap voorwaarts in deze richting gemaakt.' Het voorstel van de Rey- en Ye-groepen is slechts het begin van alle grote wetenschap die nog moet worden bestudeerd met verstrengelde arrays van moleculen. Volgens Bilitewski:"dit is allemaal echt opwindend in die zin dat we een nieuw regime onderzoeken dat nu pas in het laboratorium beschikbaar is."