V Kolumbii se objevuje unikátní kvantový stav hmoty

Fyzikové v Kolumbijská univerzita Dovedli molekuly do nového, ultrachladného extrému a vytvořili stav hmoty, kde vládne kvantová mechanika.

Ve městě je vzrušující nový BEC, který nemá nic společného se slaninou, vejci a sýrem. Nenajdete ho ve vašem místním obchodním domě, ale na nejchladnějším místě v New Yorku: v laboratoři fyzika Sebastiana Weyla z Kolumbijské univerzity, jehož experimentální skupina se specializuje na vytlačování atomů a molekul na teploty jen o zlomky stupně vyšší. Absolutní nula.

Vepište PřírodaWeyl Lab, s podporou teoretického spolupracovníka Tijse Karmana z Radboud University v Nizozemsku, uspěla ve vytvoření jedinečného kvantového stavu hmoty zvaného Bose-Einsteinův kondenzát (BEC) z molekul.

Průlom v Bose-Einsteinových kondenzátech

Jejich BEC je ochlazeno na pouhých pět nanokelvinů nebo asi -459,66 stupňů Fahrenheita, je stabilní po pozoruhodně dlouhé dvě sekundy a je vyrobeno z molekul sodíku a cesia. Stejně jako molekuly vody jsou tyto molekuly polární, což znamená, že nesou kladný i záporný náboj. Weil poznamenal, že nevyvážené rozložení elektrického náboje usnadňuje interakce na dlouhé vzdálenosti, které tvoří nejzajímavější fyziku.

Výzkum, který Weill Lab s nadšením provádí s Bose-Einstein Molecular, zahrnuje zkoumání řady různých kvantových jevů, včetně nových typů supratekutosti, stavu hmoty, která proudí bez jakéhokoli tření. Doufají také, že promění své Bose-Einsteinovy ​​simulátory, které dokážou znovu vytvořit záhadné kvantové vlastnosti složitějších materiálů, jako jsou pevné krystaly.

S pomocí mikrovln vytvořili fyzici z Kolumbie Bose-Einsteinův kondenzát, jedinečný stav hmoty, z molekul sodíku a cesia. Obrazový kredit: Well Lab, Columbia University/Miles Marshall

„Molekulární Bose-Einsteinovy ​​kondenzáty otevírají zcela nové oblasti výzkumu, od skutečného pochopení základní fyziky až po vývoj výkonných kvantových simulací,“ řekl. „Je to vzrušující úspěch, ale je to opravdu jen začátek.“

Pro Weill Lab je to splněný sen a pro větší ultrachladnou výzkumnou komunitu se připravuje desetiletí.

Ultrachladné molekuly, století ve výrobě

Věda o BEC sahá století zpět k fyzikům Satyendra Nath Bose a Albert Einstein. V sérii článků publikovaných v letech 1924 a 1925 předpověděli, že sbírka částic ochlazených téměř na klidový stav se spojí do jediného většího atomu se společnými vlastnostmi a chováním diktovanými zákony kvantové mechaniky. Pokud by bylo možné vytvořit BEC, poskytly by výzkumníkům atraktivní platformu pro zkoumání kvantové mechaniky v dostupnějším měřítku než jednotlivé atomy nebo molekuly.

Od těchto prvních teoretických předpovědí trvalo asi 70 let, ale první atomové BEC byly vytvořeny v roce 1995. Tento úspěch byl oceněn Nobelovou cenou za fyziku v roce 2001, přibližně v době, kdy Weyl začínal s fyzikou na univerzitě v Mohuči. V Německu. Laboratoře nyní běžně vyrábějí Bose-Einsteinovy ​​atomy z několika různých typů atomů. Tyto BEC rozšířily naše chápání pojmů, jako je vlnová povaha hmoty a supratekutiny, a vedly k vývoji technologií, jako jsou kvantové plynové mikroskopy a kvantové simulátory, abychom jmenovali alespoň některé.

Zleva doprava: přidružený vědecký pracovník Ian Stevenson; doktorand Niccolò Bigagli; doktorand Weijun Yuan; vysokoškolský student Boris Bulatovič; doktorand Siwei Zhang; a vedoucího vyšetřovatele Sebastiana Weila. Nezobrazeno: Tejce Kerman. Kredit: Kolumbijská univerzita

Ale atomy jsou ve velkém schématu věcí relativně jednoduché. Jsou to kulaté objekty a obvykle neobsahují interakce, které by mohly vzniknout z polarity. Od doby, kdy byly dosaženy první atomové BEC, vědci chtěli vytvořit složitější verze vytvořené z molekul. Ukázalo se však, že i jednoduché dvouatomové molekuly složené ze dvou atomů různých prvků spojených dohromady je obtížné ochladit pod teplotu potřebnou k vytvoření správného BEC.

První průlom nastal v roce 2008, kdy Deborah Jin a Jun Yi, fyzici z Gila Institute v Boulderu v Coloradu, ochladili plyn s molekulami draslíku a rubidia na asi 350 nanokelvinů. Takové ultrachladné molekuly se v posledních letech ukázaly jako užitečné pro provádění kvantových simulací, studium molekulárních kolizí a kvantové chemie, ale k překročení prahu BEC byly zapotřebí nižší teploty.

V roce 2023 vytvořil Will’s Lab První extrémně studený plyn molekuly, kterou si vybrali, sodíku a cesia, za použití kombinace laserového chlazení a magnetické manipulace, podobně jako Jin Wei. Aby se ochladilo, přinesli mikrovlnky.

Inovace s mikrovlnnou troubou

Mikrovlny jsou formou elektromagnetického záření a mají v Kolumbii dlouhou historii. Ve 30. letech 20. století provedl fyzik Isidore Isaac Rabi, který později získal Nobelovu cenu za fyziku, průkopnickou práci v oblasti mikrovln, která vedla k vývoji vzdušných radarových systémů. „Rabe byl jedním z prvních, kdo zvládl kvantové stavy molekul a byl průkopníkem mikrovlnného výzkumu,“ řekl Weil. „Naše podnikání navazuje na tuto 90letou tradici.“

Ačkoli možná znáte roli mikrovln při ohřevu jídla, ukázalo se, že mohou také usnadnit proces chlazení. Jednotlivé molekuly mají tendenci se navzájem srážet a v důsledku toho vytvářet větší komplexy, které ze vzorků mizí. Mikrovlny dokážou kolem každé molekuly vytvořit malé štíty, které zabrání jejich srážce, což je nápad, který navrhl jejich kolega Karman z Nizozemska. S molekulami chráněnými před zmeškanými srážkami mohou být ze vzorku přednostně odstraněny pouze nejžhavější molekuly, což je stejný fyzikální princip, který ochlazuje váš šálek kávy, když na něj fouknete, vysvětluje autor Niccolò Bigagli. Tyto zbývající molekuly budou chladnější a celková teplota vzorku se sníží.

Tým se přiblížil k vytvoření molekulárního BEC loni na podzim v práci publikované v Fyzika přírody Která zavedla metodu mikrovlnného stínění. Ale bylo zapotřebí dalšího experimentálního vývoje. Když přidali druhé mikrovlnné pole, chlazení se zefektivnilo a cesium sodík konečně překročil práh BEC, což je cíl, kterého Weillova laboratoř dosáhla od otevření v Kolumbii v roce 2018.

„Bylo to pro mě skvělé finále,“ řekl Bigagli, který letos na jaře získal doktorát z fyziky a byl zakládajícím členem laboratoře. „Přešli jsme od toho, že ještě nemáme laboratoř, k těmto úžasným výsledkům.“

Kromě snížení srážek může druhé mikrovlnné pole také řídit orientaci molekul. To je zase způsob, jak kontrolovat, jak interagují, což laboratoř v současné době zkoumá. „Řízením těchto dipólových interakcí doufáme, že vytvoříme nové kvantové stavy a fáze hmoty,“ řekl Ian Stevenson, spoluautor a postdoktorandský výzkumník na Kolumbijské univerzitě.

Otevírá se nový svět kvantové fyziky

Yi, průkopník vědy o ultrachladu se sídlem v Boulderu, považuje výsledky za krásný kus vědy. „Práce bude mít důležité důsledky pro řadu vědeckých oborů, včetně studia kvantové chemie a zkoumání silně vázaných kvantových materiálů,“ uvedl. „Weillův experiment nabízí přesné řízení molekulárních interakcí, které vedou systém k požadovanému výsledku, což je pozoruhodný úspěch v technologii kvantového řízení.“

Mezitím je tým Columbia nadšený, že má teoretický popis mezimolekulárních interakcí ověřený experimentálně. „Už máme dobrou představu o interakcích v tomto systému, což je také zásadní pro další kroky, jako je zkoumání fyziky multipolárních těles,“ řekl Kerman. „Přišli jsme se schématy pro řízení reakcí, teoreticky jsme je otestovali a zavedli do experimentu. Byl to opravdu skvělý zážitek vidět tyto myšlenky mikrovlnné ‚ochrany‘ realizované v laboratoři.“

Existují desítky teoretických předpovědí, které lze nyní experimentálně testovat pomocí molekulárních BEC, na které spoluprvní autor a doktorand Siwei Zhang poukazuje, že jsou poměrně stabilní. Většina ultrachladných experimentů se provádí během jedné sekundy, některé jsou krátké jen několik milisekund, ale molekulární reakce BEC v laboratoři trvají déle než dvě sekundy. „To nám umožní prozkoumat otevřené otázky v kvantové fyzice,“ řekl.

Jedním z nápadů je vytvořit umělé Bose-Einsteinovy ​​krystaly uvězněné v optické mřížce vyrobené z laserů. To by umožnilo výkonné kvantové simulace, které napodobují interakce v přírodních krystalech, poznamenal Weil, a je to oblast zájmu ve fyzice kondenzovaných látek. Kvantové simulátory jsou běžně vyráběny pomocí atomů, ale atomy mají interakce s krátkým dosahem – kde musí být prakticky jeden na druhém – což omezuje rozsah, v jakém mohou modelovat složitější materiály. „Molekulární BEC dodá více chuti,“ řekl Weil.

To zahrnuje rozměry, řekl spoluprvní autor a doktorand Weijun Yuan. „Chtěli bychom použít BEC ve 2D systému, když přejdete z 3D na 2D, můžete vždy očekávat, že se na Kolumbijské univerzitě objeví nové materiály z oblasti fyziky, které mají modelový systém vyrobený z molekul BEC by mohly pomoci Weilovi a jeho kolegům v této záležitosti Intenzivní na zkoumání kvantových jevů včetně supravodivosti, supratekutosti a dalších.

„Zdá se, že se otevírá zcela nový svět možností,“ řekl Will.

Odkaz: „Pozorování Bose-Einsteinových kondenzátů dipólových částic“ od Niccolò Bigagli, Weijun Yuan, Siwei Zhang, Boris Bulatovic, Tess Carman, Ian Stevenson a Sebastian Weyl, 3. června 2024, Příroda.
doi: 10.1038/s41586-024-07492-z