Ultrakalla molekyler är lovande för tillämpningar i nya kvantteknologier. Tyvärr, dessa molekyler förstörs när de kolliderar med varandra. Forskare vid Harvard University, MIT, Korea University och Radboud University har visat att dessa kollisionsförluster kan förhindras genom att styra interaktionen mellan molekyler med hjälp av mikrovågor på ett sådant sätt att de stöter bort varandra och, därför, kom inte nära varandra vid kollisioner. Deras tidning kommer att publiceras i Vetenskap den 13 augusti.

Kommande kvantteknologier som kvantberäkning och kvantsimulering är all hype just nu. Stora språng görs mot deras förverkligande på olika plattformar som fångade joner och Rydberg-atommatriser. Ultrakalla molekyler är en annan lovande plattform. Tyvärr, kollisioner mellan molekylerna leder till förlust som om de vore kemiskt reaktiva, vilket har begränsat förmågan att kyla molekyler under det senaste decenniet. Ett team av forskare har nu visat att dessa kollisionsförluster kan undertryckas genom att konstruera frånstötande interaktioner mellan molekylerna med hjälp av mikrovågor.

Att eliminera kollisionsförluster och öka elastiska kollisioner kommer att möjliggöra kylning av molekyler till en kvantgas och föra deras tillämpning inom ny kvantteknologi inom räckhåll. En unik fördel med ultrakalla molekyler är att interaktioner mellan molekyler kan ställas in och kontrolleras genom att vrida på en ratt i labbet, använda externa fält. Till exempel, när molekylerna utsätts för mikrovågor, deras dipolmoment kommer att svänga tillsammans med mikrovågorna. På så sätt kan vi styra interaktioner mellan de molekylära dipolmomenten.

Istället för att följa mikrovågsfältet, dipolmomenten kan också låsa sig med varandra, vilket kan orsaka antingen attraktion eller repulsion mellan molekylerna. Repulsion mellan molekylerna kan hindra dem från att komma nära varandra. "På detta sätt kan vi skydda molekylerna från kollisionsförluster, " förklarar Tijs Karman vid Radboud University, som föreslog denna metod och vars beräkningar styrde experimentet.

Experimentellt förverkligande

För första gången, mikrovågsavskärmning har demonstrerats experimentellt i labbet av professor John Doyle vid Harvard University. Detta experiment använder kalciummonofluoridmolekyler (CaF) som kyls till en temperatur på 100 µK med en teknik som kallas laserkylning. Dessa molekyler lagras sedan i individuella fällor gjorda av fokuserat laserljus, som kallas optisk pincett. Två av dessa pincett, var och en innehåller en enda molekyl, slås sedan samman för att studera kollisioner mellan exakt två molekyler. För att skydda molekylerna, de utsätts för mikrovågor från en rad antenner. På det här sättet, fysiker konstruerade frånstötande interaktioner mellan molekylerna som skyddar dem från kollisionsförluster. Förlustfrekvensen har reducerats med en faktor sex.

Kylning till en kvantgas av molekyler

Förutom att undertrycka kollisionsförluster, repulsionen mellan molekyler när de är långt ifrån varandra leder till snabba elastiska kollisioner. Här förstärks elastiska kollisioner med en faktor 17. Dessa elastiska kollisioner är viktiga för termaliseringen. Snabb termalisering och långsam förlust är precis vad som behövs för ytterligare kylning av molekyler genom avdunstning, en långvarig milstolpe på området. Därför, den skärmning som visas här är ett stort steg mot att skapa en kvantgas av ultrakalla molekyler och förverkliga framtida kvantteknologier som kvantberäkning och kvantsimulering.