JILA-forskare har utvecklat verktyg för att "slå på" kvantgaser från ultrakalla molekyler, få kontroll över molekylära interaktioner på långa avstånd för potentiella tillämpningar som kodning av data för kvantberäkning och simuleringar.

Det nya schemat för att knuffa ner en molekylär gas till dess lägsta energitillstånd, kallas kvantdegeneration, samtidigt som undertryckande av kemiska reaktioner som bryter upp molekyler gör det äntligen möjligt att utforska exotiska kvanttillstånd där alla molekyler interagerar med varandra.

Forskningen beskrivs i numret 10 december av Natur . JILA är ett gemensamt institut för National Institute of Standards and Technology (NIST) och University of Colorado Boulder.

"Molekyler är alltid hyllade för sina långväga interaktioner, som kan ge upphov till exotisk kvantfysik och ny kontroll inom kvantinformationsvetenskap, " sa NIST/JILA-stipendiaten Jun Ye. "Men, tills nu, ingen hade kommit på hur man aktiverar dessa långväga interaktioner i en bulkgas."

"Nu, allt detta har förändrats. Vårt arbete visade för första gången att vi kan slå på ett elektriskt fält för att manipulera molekylära interaktioner, få dem att svalna ytterligare, och börja utforska kollektiv fysik där alla molekyler är kopplade till varandra."

Det nya arbetet följer upp Yes många tidigare prestationer med ultrakalla kvantgaser. Forskare har länge försökt kontrollera ultrakalla molekyler på samma sätt som de kan kontrollera atomer. Molekyler erbjuder ytterligare kontrollmedel, inklusive polaritet – det vill säga motsatta elektriska laddningar – och många olika vibrationer och rotationer.

JILA-experimenten skapade en tät gas på cirka 20, 000 fångade kalium-rubidiummolekyler vid en temperatur på 250 nanokelvin över absolut noll (cirka minus 273 grader Celsius eller minus 459 grader Fahrenheit). Avgörande, dessa molekyler är polära, med en positiv elektrisk laddning vid rubidiumatomen och en negativ laddning vid kaliumatomen. Skillnaderna mellan dessa positiva och negativa laddningar, kallade elektriska dipolmoment, få molekylerna att bete sig som små kompassmagneter som är känsliga för vissa krafter, i detta fall elektriska fält.

När gasen kyls till nära absolut noll, molekylerna slutar bete sig som partiklar och beter sig istället som vågor som överlappar varandra. Molekylerna håller isär eftersom de är fermioner, en klass av partiklar som inte kan vara i samma kvanttillstånd och plats samtidigt och som därför stöter bort varandra. Men de kan interagera på långt håll genom sina överlappande vågor, elektriska dipolmoment och andra funktioner.

Förr, JILA-forskare skapade kvantgaser av molekyler genom att manipulera en gas som innehåller båda typerna av atomer med ett magnetfält och lasrar. Den här gången laddade forskarna först blandningen av gasformiga atomer i en vertikal stapel av tunna, pannkaksformade fällor bildade av laserljus (kallat optiskt gitter), tätt begränsar atomerna längs den vertikala riktningen. Forskare använde sedan magnetfält och lasrar för att binda samman par av atomer till molekyler. Överblivna atomer värmdes upp och avlägsnades genom att ställa in en laser för att excitera rörelse unik för varje typ av atom.

Sedan, med det molekylära molnet placerat i mitten av en ny sex-elektrodenhet bildad av två glasplattor och fyra volframstavar, forskare genererade ett avstämbart elektriskt fält.

Det elektriska fältet satte igång repulsiva interaktioner mellan molekylerna som stabiliserade gasen, minska oelastiska ("dåliga") kollisioner där molekylerna genomgår en kemisk reaktion och flyr ur fällan. Denna teknik ökade hastigheten av elastiska ("bra") interaktioner mer än hundra gånger samtidigt som den undertryckte kemiska reaktioner.

Denna miljö möjliggjorde effektiv avdunstningskylning av gasen ner till en temperatur under början av kvantdegeneration. Kylningsprocessen tog bort de hetaste molekylerna från gitterfällan och tillät de återstående molekylerna att anpassa sig till en lägre temperatur genom de elastiska kollisioner. Att långsamt slå på ett horisontellt elektriskt fält under hundratals millisekunder minskade fällans styrka i en riktning, tillräckligt långa för att heta molekyler ska kunna fly och de återstående molekylerna svalna. I slutet av denna process, molekylerna återgick till sitt mest stabila tillstånd men nu i en tätare gas.

Den nya JILA-metoden kan användas för att göra ultrakalla gaser av andra typer av polära molekyler.

Ultrakalla molekylära gaser kan ha många praktiska användningsområden, inklusive nya metoder för kvantberäkning med polära molekyler som kvantbitar; simuleringar och förbättrad förståelse av kvantfenomen såsom kolossal magnetoresistans (för förbättrad datalagring och bearbetning) och supraledning (för perfekt effektiv elektrisk kraftöverföring); och nya verktyg för precisionsmätning som molekylära klockor eller molekylära system som möjliggör sökningar efter nya teorier om fysik.