Šibko vezane tetratomske molekule, ki so več kot 3000-krat hladnejše od vseh prejšnjih štiriatomskih molekul, so bile ustvarjene z novo razvito tehniko "elektroasociacije". Delo, ki temelji na predlogu iz leta 2003, bi lahko omogočilo sestavljanje še večjih molekul pri ultra nizkih temperaturah, odprlo študije superfluidnosti in superprevodnosti ter celo našlo aplikacije v kvantnem računalništvu.

Leta 2003 teoretični fizik John Bohn iz JILA v Boulderju v Koloradu je bil del ekipe, ki jo je vodil priznani eksperimentator Deborah Jin, ki je umrl leta 2015. Preučevali so učinke magnetnih polj na ultrahladne fermionske pline. Raziskovalci so odkrili, da so atomi tvorili šibko vezane diatomske molekule, ko so prilagodili vrednost polja preko tako imenovane Feshbachove resonance, pri kateri je bila vezavna energija enaka energiji molekul. Ta proces je pozneje postal znan kot magnetoasociacija.

Potem, leta 2008, ekipa, ki sta jo vodila Jin in njen kolega z Univerze v Koloradu Jun Ye je pokazal pretvorbo teh krhkih dimerjev v molekule osnovnega stanja z uporabo trinivojske laserske hladilne tehnike, imenovane stimuliran Ramanov adiabatni prehod (STIRAP). Obe tehniki je pozneje uporabilo nešteto drugih skupin za ustvarjanje ultrahladnih dimerjev za množico aplikacij, kot je preučevanje kvantne kemije.

Magnetoasociacija pa deluje le na delcih z magnetnimi dipolnimi momenti – kar pomeni, da morajo imeti nesparjene elektrone. Jinova skupina je delala s kalijevimi atomi, ki so magnetni. Ko se združijo v dvoatomske molekule kalija, se ne odzivajo več na magnetna polja.

Zakaj ne elektrozdruženje?

Istega leta sta Bohn in sodelavec Aleksandr Avdenkov objavil teoretični članek, v katerem nakazuje, da bi bilo možno inducirati nemagnetne molekule, da se združijo, če bi imele električni dipolni moment: "Magnetoasociacija je bila nekaj, kar je obstajalo, zato smo pomislili, no, zakaj ne elektroasociacije?" pravi Bohn, "Nismo več razmišljali o tem."

Leta 2023 pa je z uporabo spremenjene različice Bohnovega prvotnega predloga Xin-Yu Luo z Inštituta Maxa Plancka za kvantno optiko v Nemčiji in sodelavci postavili močno vezane, ultrahladne molekule natrija in kalija (proizvedene z magnetno asociacijo in STIRAP) v nihajoče zunanje mikrovalovno polje. Pri določenih vrednostih polja so našli spektroskopske dokaze o resonančnem stanju, za razliko od česar koli prej videnega med pari molekul. V tem stanju sta dve molekuli plesali vzporedno, ko sta njuna lastna električna dipolna momenta spremenila uporabljeni potencial. Nastala interakcija je bila odbijajoča na kratkih razdaljah, vendar privlačna na dolgih razdaljah, kar je povzročilo vezano stanje, ki je bilo približno 1000-krat večje od premerov posameznih molekul. Takrat pa so raziskovalci imeli samo dokaze, da država obstaja – ne pa nobenih nadzorovanih sredstev, da bi vanjo postavili delce.

Cirkularno polarizirane mikrovalovne pečice

V novem delu so raziskovalci Maxa Plancka in sodelavci na Univerzi Wuhan na Kitajskem ugotovili, da lahko z uporabo krožno polariziranega mikrovalovnega polja na molekule natrija in kalija pri temperaturah okoli 100 nK, preden povečajo eliptičnost polja, nekatere od njih spodbudijo k tvorijo tetramere. Ekipi je uspelo tudi ločiti tetramerje in s pogledom na obliko sproščenih dimerjev prikazati valovno funkcijo tetramerja. To opisujejo v Narava.

"Vezivna energija je radiofrekvenčna lestvica," pravi Luo, "je več kot 10 redov velikosti šibkejša od tipične energije kemične vezi."

Raziskovalci zdaj upajo, da bodo uporabili STIRAP za ustvarjanje močno vezanih tetramerjev. To ne bo lahka naloga, pravi Luo, ker zahteva ustrezno vmesno raven energije, tetramerji pa imajo veliko več ravni energije kot dimeri. »Tudi zame je odprto vprašanje, ali lahko v gozdu najdemo primerno stanje ravni energije,« pravi Luo. Če pa zmorejo, to ponuja mamljivo možnost ponavljanja tehnike za izgradnjo vedno večjih molekul.

Raziskovalci prav tako želijo svoje molekule še bolj ohladiti v Bose-Einsteinov kondenzat (BEC). Nato bi postali močno orodje za preučevanje prehoda med stanjem BEC in stanjem superprevodnosti Bardeen–Cooper–Schrieffer (BCS). To križanje je ključnega pomena za razumevanje visokotemperaturne superprevodnosti. Takšno orodje bi fizikom omogočilo, da prilagodijo sestavine kondenzata med fermionskimi dimeri in bozonskimi tetramerji preprosto z nastavitvijo mikrovalovnega polja. To bi jim omogočilo, da spremenijo BEC v degeneriran Fermijev plin, ki podpira Cooperjeve pare.

Dlje v prihodnosti bi lahko bil sistem uporaben celo v kvantnem računalništvu, saj teoretične napovedi kažejo, da bi moral podpirati topološko zaščitene ničelne načine Majorana, ki bi jih lahko uporabili za ustvarjanje proti hrupu odpornih kubitov.

Bohn opisuje delo Lua in kolegov kot fantastično in dodaja: "Ne samo, da je dobro opravljeno, ampak je nekaj, na kar veliko ljudi upa že dolgo." Potem ko je prebral članek skupine iz leta 2023, je sodeloval z dvema kolegoma pri razvoju teoretičnega okvira, opisanega v Pisni pregledi fizike julija 2023 za doseganje elektroasociacije na podlagi rezultatov skupine in prikaz idealne hitrosti za spreminjanje polj. "Medtem ko smo to počeli, so že izvedli poskus," pravi; "Očitno so to dobro ugotovili sami."

• Distribucija vsebine in PR s pomočjo SEO. Okrepite se še danes.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Opolnomočite se. Dostopite tukaj.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Razširjeno znanje. Dostopite tukaj.
• PlatoESG. Ogljik, CleanTech, Energija, Okolje, sončna energija, Ravnanje z odpadki. Dostopite tukaj.
• PlatoHealth. Obveščanje o biotehnologiji in kliničnih preskušanjih. Dostopite tukaj.
• vir: https://physicsworld.com/a/ultracold-four-atom-molecules-are-bound-by-electric-dipole-moments/