Een team van experimentatoren van het Max Planck Institute of Quantum Optics (MPQ) en theoretici van de Chinese Academie van Wetenschappen (CAS) is er voor het eerst in geslaagd een nieuw type molecuul te bevolken en te stabiliseren, de zogenaamde veldgekoppelde tetratomische moleculen. . Deze ‘supermoleculen’ zijn zo kwetsbaar dat ze alleen kunnen bestaan ​​bij ultrakoude temperaturen. Hun bestaan ​​werd al lang vermoed, maar is tot nu toe nooit experimenteel aangetoond.

De polyatomaire moleculen die in dit nieuwe onderzoek zijn gecreëerd, bestaan ​​uit meer dan twee atomen en zijn met succes afgekoeld tot 134 nanokelvin – meer dan 3000 keer kouder dan de temperatuur van eerder gemaakte tetratomische moleculen. Deze prestatie is niet alleen een nieuwe prestatie in de moleculaire fysica, maar ook een belangrijke stap voorwaarts in de studie van exotische ultrakoude materie. Het onderzoek is gepubliceerd in Nature .

Ongeveer twintig jaar geleden voorspelden de Amerikaanse theoretisch natuurkundige John Bohn en zijn collega's een nieuw type binding tussen polaire moleculen:als de moleculen een asymmetrisch verdeelde lading dragen – wat natuurkundigen polariteit noemen – kunnen ze zich in een elektrisch veld combineren om zwak gebonden ‘supermoleculen’ te vormen. ."

Het gedrag van deze polaire moleculen kan worden gezien als kompasnaalden in een harde schaal. Wanneer ze dicht bij elkaar worden gebracht, ervaren kompasnaalden een aantrekkingskracht die sterker is dan het magnetische veld van de aarde en wijzen ze naar elkaar toe in plaats van naar het noorden te wijzen.

Een soortgelijk fenomeen kan worden waargenomen bij polaire moleculen, die onder specifieke omstandigheden via elektrische krachten een unieke gebonden toestand kunnen vormen. Hun band doet enigszins denken aan een dansend koppel dat elkaar stevig vasthoudt en tegelijkertijd voortdurend een bepaalde afstand bewaart.

De gebonden toestand van de supermoleculen is veel zwakker dan die van typische chemische bindingen, maar heeft tegelijkertijd ook een veel langere reikwijdte. Supermoleculen delen een bindingslengte over afstanden die honderden keren langer zijn dan normaal gebonden moleculen.

Vanwege dit langeafstandskarakter zijn dergelijke supermoleculen zeer gevoelig:als de parameters van het elektrische veld slechts een klein beetje veranderen op een kritische waarde, veranderen de krachten tussen de moleculen dramatisch - een fenomeen dat 'veldgebonden resonantie' wordt genoemd. " Hierdoor kunnen de onderzoekers de vorm en grootte van de moleculen flexibel variëren met een microgolfveld.

Een toneelstuk in drie delen:van diatomische tot tetratomische moleculen

Ultrakoude polyatomaire moleculen bevatten een rijke interne structuur die opwindende nieuwe mogelijkheden biedt op het gebied van koude chemie, precisiemetingen en de verwerking van kwantuminformatie. Hun hoge complexiteit vergeleken met diatomische moleculen vormt echter een grote uitdaging voor de toepassing van conventionele koeltechnieken zoals directe laserkoeling en verdampingskoeling.

Onderzoekers in het "NaK Lab" (natriumkaliumlaboratorium) bij MPQ, onder leiding van Dr. Xin-Yu Luo, Dr. Timon Hilker en Prof. Immanuel Bloch, hebben een reeks baanbrekende en Natuur -de afgelopen jaren ontdekkingen gepubliceerd die cruciaal waren om deze uitdaging uiteindelijk te overwinnen.

Ten eerste vonden onderzoekers in dit laboratorium in 2021 een nieuwe koeltechniek uit voor polaire moleculen met behulp van een krachtig roterend microgolfveld, en vestigden daarmee een nieuw lagetemperatuurrecord:21 miljardsten van een graad boven het absolute nulpunt bij min 273,15 graden Celsius.

Een jaar later slaagden de onderzoekers erin de noodzakelijke omstandigheden te creëren om voor het eerst de signatuur van binding tussen deze moleculen waar te nemen in verstrooiingsexperimenten. Dit leverde het eerste indirecte bewijs voor het bestaan ​​van deze theoretisch lang voorspelde exotische constructies.

Nu is er zelfs direct bewijs, aangezien de onderzoekers deze supermoleculen in hun experiment hebben kunnen creëren en stabiliseren. Beeldvorming van deze ‘supermoleculen’ onthulde hun p-golfsymmetrie – een uniek kenmerk dat cruciaal is bij de realisatie van topologische kwantummaterialen, die op hun beurt relevant kunnen zijn voor fouttolerante kwantumberekeningen.

"Dit onderzoek zal onmiddellijke en verreikende implicaties hebben", zegt Xing-Yan Chen, Ph.D. Kandidaat en eerste auteur van het artikel. "Omdat de methode toepasbaar is op een breed scala aan moleculaire soorten, maakt het het mogelijk om een ​​veel grotere verscheidenheid aan ultrakoude polyatomaire moleculen te onderzoeken. In de toekomst zou het het mogelijk kunnen maken om nog grotere en langer levende moleculen te creëren die specifiek interessant zouden zijn voor precisie metrologie of kwantumchemie."

"We zijn tot deze bevindingen gekomen, mede dankzij onze nauwe samenwerking met prof. Tao Shi en zijn team van de CAS", voegt dr. Luo, de hoofdonderzoeker van het experiment, toe. "Ons volgende doel is om deze bosonische 'supermoleculen' verder af te koelen om een ​​Bose-Einstein-condensaat (BEC) te vormen, waar de moleculen collectief samen bewegen. Dit vooruitzicht biedt een belangrijk potentieel voor ons fundamentele begrip van de kwantumfysica. Wat nog verbazingwekkender is, is dat door Door simpelweg een microgolfveld af te stemmen, kan een BEC van 'supermoleculen' transformeren in een nieuwe kwantumvloeistof van fermionische moleculen, waarbij de speciale p-golfsymmetrie behouden blijft."

Meer informatie: Xing-Yan Chen et al, Ultrakoude veldgekoppelde tetratomische moleculen, Natuur (2024). DOI:10.1038/s41586-023-06986-6

Journaalinformatie: Natuur

Aangeboden door Max Planck Society