Zwakgebonden tetratomische moleculen die meer dan 3000 keer kouder zijn dan alle voorgaande vieratomige moleculen zijn gemaakt met behulp van een nieuw ontwikkelde ‘elektroassociatie’-techniek. Het werk, dat is gebaseerd op een voorstel uit 2003, zou het mogelijk kunnen maken om nog grotere moleculen te assembleren bij ultrakoude temperaturen, onderzoek naar superfluiditeit en supergeleiding mogelijk te maken en zelfs toepassingen in kwantumcomputers te vinden.

In 2003, theoretisch natuurkundige Johannes Bohn van JILA in Boulder, Colorado maakte deel uit van een team onder leiding van de beroemde experimentator Deborah Jin, die in 2015 overleed. Ze bestudeerden de effecten van magnetische velden op ultrakoude fermionische gassen. De onderzoekers ontdekten dat de atomen zwak gebonden diatomische moleculen vormden toen ze de waarde van het veld afstemden op een zogenaamde Feshbach-resonantie waarbij de bindingsenergie gelijk was aan die van de moleculen. Dit proces werd later bekend als magnetoassociatie.

Vervolgens, in 2008, een team onder leiding van Jin en haar collega van de Universiteit van Colorado juni Ye demonstreerde de omzetting van deze fragiele dimeren in grondtoestandmoleculen met behulp van een laserkoelingstechniek op drie niveaus genaamd gestimuleerde Raman adiabatische passage (STIRAP). De twee technieken zijn vervolgens door talloze andere groepen gebruikt om ultrakoude dimeren te creëren voor een overvloed aan toepassingen, zoals de studie van de kwantumchemie.

Magnetoassociatie werkt echter alleen op deeltjes met magnetische dipoolmomenten – wat betekent dat ze ongepaarde elektronen moeten hebben. De groep van Jin werkte met kaliumatomen, die magnetisch zijn. Zodra ze zich associëren om diatomische kaliummoleculen te vormen, reageren ze niet langer op magnetische velden.

Waarom geen elektroassociatie?

In hetzelfde jaar, Bohn en collega Aleksandr Avdeenkov publiceerde een theoretisch artikel waarin werd gesuggereerd dat het mogelijk zou kunnen zijn om niet-magnetische moleculen te laten paren als ze een elektrisch dipoolmoment hadden: “Magnetoassociatie was iets dat bestond, dus we dachten: waarom geen elektroassociatie?” zegt Bohn: “We hebben er niet verder over nagedacht.”

In 2023 echter, met behulp van een aangepaste versie van het oorspronkelijke voorstel van Bohn, Xin Yu Luo van het Max Planck Instituut voor Quantum Optica in Duitsland en collega's plaatsten sterk gebonden, ultrakoude natriumkaliummoleculen (geproduceerd door magnetoassociatie en STIRAP) in een oscillerend extern microgolfveld. Bij specifieke veldwaarden vonden ze spectroscopisch bewijs van een resonante toestand die anders was dan ooit tevoren tussen paren moleculen. In deze toestand dansten de twee moleculen parallel terwijl hun eigen elektrische dipoolmomenten het aangelegde potentieel wijzigden. De resulterende interactie was afstotend op korte afstanden, maar aantrekkelijk op lange afstanden, resulterend in een gebonden toestand die ongeveer 1000 keer groter was dan de diameters van de individuele moleculen. Destijds hadden de onderzoekers echter alleen bewijs dat de staat bestond – geen gecontroleerde manier om er deeltjes in te plaatsen.

Circulair gepolariseerde microgolven

In het nieuwe werk ontdekten de Max Planck-onderzoekers en collega's van de Wuhan Universiteit in China dat ze, door een circulair gepolariseerd microgolfveld aan te leggen op natriumkaliummoleculen bij temperaturen rond de 100 nK voordat de ellipticiteit van het veld werd vergroot, sommige ervan ertoe konden aanzetten om tetrameren vormen. Het team slaagde er ook in de tetrameren te dissociëren en, door naar de vorm van de vrijgekomen dimeren te kijken, de tetrameergolffunctie in beeld te brengen. Ze beschrijven dit in NATUUR.

“De bindingsenergie is op radiofrequentieschaal,” zegt Luo. “Het is meer dan tien ordes van grootte zwakker dan de typische chemische bindingsenergie.”

De onderzoekers hopen nu STIRAP te gebruiken om sterk gebonden tetrameren te creëren. Dit zal geen gemakkelijke taak zijn, zegt Luo, omdat er een geschikt gemiddeld energieniveau voor nodig is, en tetrameren veel meer energieniveaus hebben dan dimeren. “Zelfs voor mij is het een open vraag of we een geschikte toestand kunnen vinden in het bos van energieniveaus”, zegt Luo. Als ze dat echter wel kunnen, biedt dat de verleidelijke mogelijkheid om de techniek te herhalen om steeds grotere moleculen te bouwen.

De onderzoekers willen hun moleculen ook verder afkoelen tot een Bose-Einstein-condensaat (BEC). Ze zouden dan een krachtig hulpmiddel worden voor het bestuderen van de overgang tussen de BEC-staat en de Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) staat van supergeleiding. Deze crossover is cruciaal voor het begrijpen van supergeleiding bij hoge temperaturen. Een dergelijk hulpmiddel zou natuurkundigen in staat stellen de bestanddelen van het condensaat tussen fermionische dimeren en bosonische tetrameren af ​​te stemmen, eenvoudigweg door het microgolfveld af te stemmen. Hierdoor zouden ze een BEC kunnen omzetten in een gedegenereerd Fermi-gas dat Cooper-paren ondersteunt.

Verder in de toekomst zou het systeem zelfs nuttig kunnen zijn in quantum computing, omdat theoretische voorspellingen suggereren dat het topologisch beschermde Majorana-nulmodi zou moeten ondersteunen die kunnen worden gebruikt om ruisbestendige qubits te creëren.

Bohn beschrijft het werk van Luo en collega's als fantastisch en voegt eraan toe: "Het is niet alleen goed gedaan, maar het is ook iets waar veel mensen al heel lang op hopen." Na het lezen van de paper uit 2023 van de groep werkte hij samen met twee collega's om een ​​theoretisch raamwerk te ontwikkelen, beschreven in Physical Review Letters in juli 2023, voor het bereiken van elektroassociatie op basis van de resultaten van de groep, en voor het tonen van de ideale snelheid waarmee de velden kunnen worden veranderd. “Terwijl wij dat deden, deden ze het experiment al”, zegt hij; “Blijkbaar hebben ze dat zelf prima bedacht.”

• Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
• PlatoData.Network Verticale generatieve AI. Versterk jezelf. Toegang hier.
• PlatoAiStream. Web3-intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
• PlatoESG. carbon, CleanTech, Energie, Milieu, Zonne, Afvalbeheer. Toegang hier.
• Plato Gezondheid. Intelligentie op het gebied van biotech en klinische proeven. Toegang hier.
• Bron: https://physicsworld.com/a/ultracold-four-atom-molecules-are-bound-by-electric-dipole-moments/