新しく開発された「電気会合」技術を使用して、これまでの 3000 原子分子よりも 2003 倍以上冷たい、弱く結合した XNUMX 原子分子が作成されました。 XNUMX年の提案に基づいたこの研究は、超低温でさらに大きな分子を組み立てることを可能にし、超流動性と超伝導性の研究を切り開き、量子コンピューティングへの応用さえも見つける可能性がある。

2003年に理論物理学者 ジョン・ボーン コロラド州ボルダーのJILAの研究員は、有名な実験家が率いるチームの一員でした デボラ・ジン彼らは極低温のフェルミオン気体に対する磁場の影響を研究していました。研究者らは、結合エネルギーが分子の結合エネルギーと等しい、いわゆるフェッシュバッハ共鳴を横切る場の値を調整すると、原子が弱く結合した二原子分子を​​形成することを発見した。このプロセスは後に磁気会合として知られるようになりました。

そして 2008 年、ジンとコロラド大学の同僚が率いるチームが ジュンイェ は、誘導ラマン断熱通路 (STIRAP) と呼ばれる 3 レベルのレーザー冷却技術を使用して、これらの壊れやすい二量体を基底状態分子に変換することを実証しました。この 2 つの技術は、その後、量子化学の研究などのさまざまな用途で極低温二量体を作成するために、他の無数のグループによって使用されてきました。

ただし、磁気結合は磁気双極子モーメントを持つ粒子に対してのみ機能します。つまり、粒子には不対電子が必要です。ジンのグループは磁性を持つカリウム原子を使って研究していました。結合して二原子カリウム分子を形成すると、それらは磁場に反応しなくなります。

なぜ電気結合ではないのでしょうか?

同年、ボーンと同僚 アレクサンドル・アヴディーンコフ 非磁性分子に電気双極子モーメントがあれば、それらの分子の対形成を誘導できる可能性があることを示唆する理論論文を発表しました。「磁気会合は存在するものでした。だから、電気会合はできないのではないかと考えたのです。」ボーン氏は「それ以上は考えていませんでした」と語る。

しかし、2023 年には、ボーン氏の当初の提案の修正版を使用して、 シンユー・ルオ ドイツのマックス・プランク量子光学研究所のDr.らは、強く結合した超低温のナトリウム・カリウム分子（磁気会合とSTIRAPによって生成される）を振動する外部マイクロ波場に配置した。彼らは、特定の磁場値において、これまでに分子対間で見られたものとは異なる共鳴状態の分光学的証拠を発見した。この状態では、1000 つの分子は、それら自身の電気双極子モーメントが印加された電位を変化させるにつれて、平行に踊りました。結果として生じる相互作用は、短距離では反発的ですが、長距離では引力となり、個々の分子の直径よりも約 XNUMX 倍大きい結合状態が生じました。しかし当時、研究者らはその状態が存在するという証拠しか持っておらず、その状態に粒子を配置するための制御された手段は何もありませんでした。

円偏波マイクロ波

中国武漢大学のマックス・プランク研究者らは、新しい研究で、場の楕円率を高める前に、約100nKの温度で円偏波マイクロ波場をナトリウム・カリウム分子に適用することで、一部のマイクロ波場を誘導できることを発見した。四量体を形成します。研究チームは四量体を解離させることにも成功し、放出された二量体の形状を観察することで四量体の波動関数を画像化した。彼らはこれについて次のように説明しています 自然.

「結合エネルギーは高周波スケールです。一般的な化学結合エネルギーよりも 10 桁以上弱いです。」と Luo 氏は言います。

研究者らは現在、STIRAPを使用して強く結合した四量体を作成したいと考えている。これには適切な中間エネルギーレベルが必要であり、四量体は二量体よりもはるかに多くのエネルギーレベルを持っているため、これは簡単な作業ではないとルオ氏は言います。 「エネルギーレベルの森の中で適切な状態を見つけられるかどうかは、私にとっても未解決の疑問です」とルオ氏は言う。しかし、もしそれができれば、この技術を繰り返してさらに大きな分子を構築できるという興味深い可能性が秘められている。

研究者らは、分子をさらに冷却してボース・アインシュタイン凝縮（BEC）にすることも検討している。これらは、BEC 状態と超伝導のバーディーン・クーパー・シュリーファー (BCS) 状態の間のクロスオーバーを研究するための強力なツールとなるでしょう。このクロスオーバーは、高温超伝導を理解するために重要です。このようなツールを使用すると、物理学者はマイクロ波場を調整するだけで、フェルミオンの二量体とボソンの四量体の間の凝縮物の成分を調整できるようになります。これにより、BEC をクーパーペアをサポートする縮退フェルミガスに変えることが可能になります。

さらに将来的には、このシステムは、ノイズ耐性のある量子ビットの作成に使用できるトポロジー的に保護されたマヨラナ ゼロ モードをサポートする理論的予測が示唆されているため、量子コンピューティングでも役立つ可能性があります。

ボーン氏はルオ氏らの研究を素晴らしいと評し、「よくできているだけでなく、多くの人が長い間待ち望んでいたものだ」と付け加えた。同グループの 2023 年の論文を読んだ後、彼は XNUMX 人の同僚と協力して理論的枠組みを開発しました。 Physical Review Lettersに 2023 年 XNUMX 月に、グループの結果に基づいて電気会合を達成し、フィールドを変更する理想的な速度を示したことに対して賞を受賞しました。 「私たちがそれをやっている間に、彼らはすでに実験を行っていました」と彼は言います。 「どうやら彼らはそれを自分たちでうまく理解したようです。」

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• 情報源： https://physicsworld.com/a/ultracold-four-atom-molecules-are-bound-by-electric-dipole-moments/