Inom kvantmekanikens område, generationen av kvantinvikling är fortfarande ett av de mest utmanande målen. Förveckling, enkelt uttryckt, är när kvanttillståndet för varje partikel eller en grupp partiklar inte är oberoende av kvanttillstånden för andra partiklar eller grupper, även över långa sträckor. Intrasslade partiklar har alltid fascinerat fysiker, eftersom mätning av en intrasslad partikel kan resultera i en förändring av en annan intrasslad partikel, känd avfärdad som "spöklik handling på avstånd" av Einstein. Vid det här laget, fysiker förstår denna konstiga effekt och hur man använder den, till exempel för att öka mätningens känslighet. Dock, intrasslade stater är mycket ömtåliga, eftersom de lätt kan störas av dekoherens. Forskare har redan skapat intrasslade stater i atomer, fotoner, elektroner och joner, men bara nyligen har studier börjat utforska intrassling i gaser av polära molekyler.

"Molekyler är mycket tilltalande för kvantsimulering, kvantinformation, och precisionsmätningar, "förklarade doktor Ana Maria Rey, en University of Colorado Boulder Adjoint Professor i fysik och JILA Fellow. Anledningen är att molekyler har ett stort antal interna frihetsgrader som kan vara en användbar resurs för kvantavkänning och grundläggande fysiktester. En annan fördel med att använda molekyler i kvantexperiment är att molekyler också har långdistansdipolära interaktioner:i motsats till atomer som måste stöta på varandra för att interagera, molekyler kan interagera på avstånd. "Molekyler erbjuder riktigt stora fördelar jämfört med atomer, men samtidigt, de är verkligen svåra att svalna. Faktiskt, kylmolekyler till kvantdegeneration (tillstånd som uppnås när de är kalla nog för att kvanteffekter ska dominera) har varit ett av de mest eftertraktade målen på många år. Framstegen har gått väldigt långsamt, men det händer nu. "

År 2019 JILA -stipendiat och adjungerad professor vid University of Colorado, Flyttblock, Juni, äntligen uppnått denna viktiga milstolpe. Ditt laboratorium lyckades kyla ner molekyler som består av ett rubidium och en kaliumatom till kvantegenerering och observera deras kvantkaraktär. På senare tid, han har komprimerat denna molekylära gas till en bunt pannkakformade matriser. Reys och Yes gruppers arbete undersöker den spännande nya fysik som uppstår på grund av dipolära interaktioner i sådana pannkakformade matriser.

Betydelsen av pannkakgeometri

Kemiska reaktioner är en av de mest skadliga fienderna till kylmolekyler. Några år sedan, Ye -labbet kunde undvika kemiska reaktioner samtidigt som molekyler kunde interagera med varandra via dipolära interaktioner genom att ladda molekylerna i ett 3D -gitter. Ett 3D -gitter kan tänkas som en perfekt ljuskristall. I en 3D -gitter fästs molekyler på enskilda gitterplatser utan att röra sig. Molekylerna interagerar sedan via dipolära interaktioner på samma sätt som magneter interagerar:när de placeras sida vid sida stöter de bort och när de placeras från huvud till svans lockar de. I ett 3D -gitter, molekyler upplever både attraktiva och frånstötande interaktioner och som en konsekvens i genomsnitt avbryter interaktionerna mellan molekylerna varandra. Dessutom, i 3D -gitterförsöket var den molekylära fyllningsfraktionen mycket låg, det vill säga att molekylerna mestadels var ganska långt ifrån varandra och endast interagerade mycket svagt.

I ett nyligen genomfört experiment, dock, Ye -gruppen kunde öka densiteten genom att komprimera en 3D -kvantegenererad gas till några pannkakor, var och en med en platt 2D -form. Inom en pannkaka fann Ye -gruppen att det är möjligt att undertrycka oönskade kemiska reaktioner och dessutom göra dipolinteraktioner starkare. Detta beror på att i en 2D -konfiguration avstötar alla molekyler och interaktionerna ger inte medelvärde. Den spännande observationen från utredarna är att de starka dipolära interaktionerna i pannkakan också kan göra gasen robust mot oönskade avfasande effekter och kemiska reaktioner. Bilitewski sade:När han studerade denna form, "begreppsmässigt, och detta är kärnan i detta arbete, interaktionerna mellan molekylerna beror på de kvanttillstånd de befinner sig i, och därmed på denna inneslutning. Så, du måste först räkna ut interaktionerna i denna nya geometri. Det visar sig att dessa faktiskt har mycket fördelaktiga egenskaper för att generera den kollektiva dynamik vi är ute efter. "Men den ännu bättre nyheten är att interaktioner inte bara skyddar staten genom att tvinga molekylära dipoler att vara helt anpassade, men också naturligtvis skapa intrassling. Med Bilitewskis ord:"Fördelen med denna kollektiva synkronisering är att den trassel vi genererar blir robust mot vissa effekter som vanligtvis skulle förstöra." Sådana intrasslade grupper av molekyler kan ha tillämpningar för framtida mätningar av olika mängder, såsom elektriska fält, med känslighet förstärkt av intrasslingen.

Rey-gruppens arbete illustrerar vikten av geometriska effekter i dipolära gaser och de spännande mångkroppsfenomen som ännu inte ska utforskas när molekyler har kommit till kvantegeneration. I teorin om vikten av denna 2D -form, Rey sa:"tack vare det fantastiska arbete som utförts av Thomas Bilitewski, vi har kunnat modellera deras kvantdynamik och visa att det borde vara möjligt att trassla ihop dem, han beräknade alla integraler som behövs för att skriva en effektiv modell, löste rörelseekvationerna och visade att allt kan göras för att träna för att generera intrassling genom flip-flop-processer som induceras av dipolära interaktioner. "

Produktionen av ultrakylda molekylära gaser i kontrollerbara geometrier antyder nya upptäckter och förutsägelser inom kvantmekaniken. "Denna observation var en demonstration av att molekyler kan utforska kvantmagnetism, "Lade Rey till, "Med andra ord, molekylerna kan bete sig som kvantmagneter och efterlikna beteendet hos elektroner i fasta ämnen, till exempel. I vårt senaste arbete, Vi har tagit ett steg framåt i denna riktning. "Förslaget från Rey och Ye -grupperna är bara början på all den stora vetenskap som ännu inte har studerats med förträngningsuppsättningar av molekyler. Enligt Bilitewski:" det här är verkligen riktigt spännande i den meningen att vi utforskar en ny regim som först nu har blivit tillgänglig i labbet. "