Ultrakoude moleculen zijn veelbelovend voor toepassingen in nieuwe kwantumtechnologieën. Helaas, deze moleculen worden vernietigd wanneer ze met elkaar in botsing komen. Onderzoekers aan de Harvard-universiteit, MIT, Korea University en Radboud University hebben aangetoond dat deze botsingsverliezen kunnen worden voorkomen door de interactie tussen moleculen met behulp van microgolven zodanig te sturen dat ze elkaar afstoten en, daarom, niet dicht bij elkaar komen tijdens botsingen. Hun paper zal worden gepubliceerd in Wetenschap op 13 augustus.

Opkomende kwantumtechnologieën zoals kwantumcomputing en kwantumsimulatie zijn op dit moment een hype. Er worden enorme sprongen gemaakt in de richting van hun realisatie in verschillende platforms, zoals ingesloten ionen en Rydberg-atoomarrays. Ultrakoude moleculen zijn een ander veelbelovend platform. Helaas, botsingen tussen de moleculen leiden tot verlies alsof ze chemisch reactief zijn, die de afgelopen tien jaar het vermogen om moleculen af ​​te koelen heeft beperkt. Een team van onderzoekers heeft nu aangetoond dat deze botsingsverliezen kunnen worden onderdrukt door afstotende interacties tussen de moleculen te maken met behulp van microgolven.

Door botsingsverliezen te elimineren en elastische botsingen te stimuleren, kunnen moleculen worden gekoeld tot een kwantumgas en hun toepassing in nieuwe kwantumtechnologieën binnen handbereik komen. Een uniek voordeel van ultrakoude moleculen is dat interacties tussen moleculen kunnen worden afgestemd en gecontroleerd door aan een knop in het laboratorium te draaien, externe velden gebruiken. Bijvoorbeeld, wanneer de moleculen worden blootgesteld aan microgolven, hun dipoolmomenten zullen samen met de microgolven oscilleren. Op deze manier kunnen we interacties tussen de moleculaire dipoolmomenten controleren.

In plaats van het microgolfveld te volgen, de dipoolmomenten kunnen ook in elkaar grijpen, wat zowel aantrekking als afstoting tussen de moleculen kan veroorzaken. Afstoting tussen de moleculen kan voorkomen dat ze dicht bij elkaar komen. "Op deze manier kunnen we de moleculen beschermen tegen botsingsverliezen, " legt Tijs Karman van de Radboud Universiteit uit, wie deze methode heeft voorgesteld en wiens berekeningen het experiment hebben geleid.

experimentele realisatie

Voor de eerste keer, microgolfafscherming is experimenteel aangetoond in het laboratorium van professor John Doyle aan de Harvard University. Dit experiment maakt gebruik van calciummonofluoridemoleculen (CaF) die worden gekoeld tot een temperatuur van 100 µK met behulp van een techniek die laserkoeling wordt genoemd. Deze moleculen worden vervolgens opgeslagen in individuele vallen gemaakt door gefocusseerd laserlicht, die optische pincetten worden genoemd. Twee van deze pincetten, die elk een enkel molecuul bevatten, worden vervolgens samengevoegd om botsingen tussen precies twee moleculen te bestuderen. Om de moleculen af ​​te schermen, ze worden blootgesteld aan microgolven van een reeks antennes. Op deze manier, natuurkundigen ontwierpen weerzinwekkende interacties tussen de moleculen die hen beschermen tegen botsingsverlies. Het verliespercentage is met een factor zes verlaagd.

Afkoeling tot een kwantumgas van moleculen

Naast het onderdrukken van botsingsverliezen, de afstoting tussen moleculen wanneer ze ver van elkaar verwijderd zijn, leidt tot snelle elastische botsingen. Hier worden elastische botsingen met een factor 17 versterkt. Deze elastische botsingen zijn belangrijk voor thermalisatie. Snelle thermalisatie en langzaam verlies is precies wat nodig is voor verdere koeling van moleculen door verdamping, een langdurige mijlpaal in het veld. Daarom, de hier getoonde afscherming is een grote stap in de richting van het creëren van een kwantumgas van ultrakoude moleculen en het realiseren van toekomstige kwantumtechnologieën zoals kwantumcomputing en kwantumsimulatie.