Kwantumtechnologieën brengen de belofte van sneller computergebruik, verbeterde medicijnontwikkeling en nieuwe detectietoepassingen met zich mee. Kwantumgedrag is echter moeilijk experimenteel te bestuderen, omdat de meeste systemen kwantumeffecten slechts korte tijd kunnen volhouden.

"De reden waarom de mysterieuze kenmerken van de kwantumfysica zo snel verdwijnen is een proces dat decoherentie wordt genoemd", zegt Kaden Hazzard, universitair hoofddocent natuurkunde en astronomie aan de Rice University en corresponderend auteur van een onderzoek gepubliceerd in Nature Physics. ik> .

‘Het komt voor wanneer een kwantumsysteem interageert met zijn omgeving en dit verandert de natuurkunde. Hoe groter het systeem en hoe groter de koppelingen met de omgeving, hoe meer het systeem zich op een klassieke, niet-kwantummanier zal gedragen – en je verliest je vermogen om dingen op kwantumniveau te onderzoeken."

Rijstwetenschappers en -medewerkers waren in staat om het kwantumgedrag in een experimenteel systeem bijna 30 maal te verlengen door ultrakoude temperaturen en lasergolflengten te gebruiken om een ​​'magische val' te genereren die het begin van decoherentie hielp vertragen. De studie is de eerste experimentele demonstratie in zijn soort en biedt een nieuwe arena voor het bestuderen van kwantuminteracties.

De groep van Simon Cornish bij de afdeling natuurkunde van de Universiteit van Durham in het Verenigd Koninkrijk werkte samen met Hazzard en zijn groep bij Rice om moleculen tot een miljard keer onder kamertemperatuur af te koelen om zo een uniek kwantummechanisch systeem te creëren. Vervolgens lieten ze die moleculen kwantummechanisch roteren – een situatie die analoog is aan het uitlijnen en roteren van moleculen tegelijkertijd met de klok mee en tegen de klok in – met behulp van microgolfstraling.

"Als je atomen of moleculen afkoelt tot deze extreem lage temperaturen, kun je ze met licht controleren", zei Cornish. "Je kunt lasers gebruiken om de atomen te duwen en ze te laten gaan waar je wilt. Je kunt ook lasers gebruiken om ze op te vangen of vast te houden, en dat geeft je een niveau van precisie en controle dat je normaal niet zou hebben. ."

Over het algemeen vervalt de samenhang van dit roterende gedrag in de ultrakoude moleculen in zeer korte tijd. Tot nu toe was de langst geregistreerde kwantumtoestand van roterende moleculen gemeten op 1/20 seconde. De groep van Cornish werd echter geïnspireerd door theoretisch werk van Svetlana Kotochigova van Temple University, dat suggereerde dat een bepaalde 'magische' golflengte van licht de kwantumcoherentie voor een langere periode zou kunnen behouden.

"Kwantumgedrag wordt prominenter naarmate het systeem kouder is en brengt het kwantumgedrag naar grotere lengteschalen", zegt Jonathan Stepp, een afgestudeerde student in de groep van Hazzard. "En lasers op de juiste golflengte kunnen de moleculen 'vangen', zodat ze in lockstep kunnen roteren, waardoor de kwantumcoherentie voor een langere tijd behouden blijft."

Toen de groep deze theorie in het laboratorium toepaste als een nieuwe experimentele techniek, creëerden ze een ‘magische val’ die de moleculen aanzienlijk langer kwantummechanisch liet draaien. Hoewel Hazzard dacht dat deze 'magische' laserval de kwantumcoherentie twee- of drievoudig zou kunnen vergroten, was hij geschokt toen hij zag dat de moleculen hierdoor bijna 1,5 seconde uniform ronddraaiden – een 30-voudige toename.

"Hoewel het mij niet verbaast dat het werkte, ben ik zeker verbaasd over hoe goed het werkte," zei Hazzard.

Zewen Zhang, een andere afgestudeerde student in de groep van Hazzard, zei dat verbeterde coherentietijden wetenschappers in staat zullen stellen fundamentele vragen over de wisselwerking tussen kwantummaterie te bestuderen.

"Naarmate de coherentietijden langer worden, worden nieuwe effecten onthuld", zei Zhang. "We kunnen beginnen met verkennen door de experimentele metingen te vergelijken met onze berekeningen. Verbeterde coherentie is ook een stap in de richting van het gebruik van ultrakoude moleculen als platform voor verschillende kwantumtechnologieën."

"Ook al klinkt kwantumgedrag als iets heel exotisch, het is in feite verantwoordelijk voor dingen die we elke dag zien, van hoe metalen elektriciteit geleiden tot hoe fusie door de zon wordt geproduceerd", aldus Hazzard, lid van het Rice Quantum Initiative en het Smalley-Curl Instituut. "Als je nieuwe materialen, nieuwe sensoren of andere kwantumtechnologieën wilt maken, moet je begrijpen wat er op kwantumniveau gebeurt, en dit onderzoek is een stap in de richting van het bereiken van nieuwe inzichten."

Meer informatie: Philip D. Gregory et al., Rotatiecoherentie op de tweede schaal en dipolaire interacties in een gas van ultrakoude polaire moleculen, Natuurfysica (2024). DOI:10.1038/s41567-023-02328-5

Journaalinformatie: Natuurfysica

Aangeboden door Rice University