Ett team av experimentalister vid Max Planck Institute of Quantum Optics (MPQ) och teoretiker vid Chinese Academy of Sciences (CAS) har för första gången lyckats befolka och stabilisera en ny typ av molekyler, så kallade fältlänkade tetraatomiska molekyler . Dessa "supermolekyler" är så ömtåliga att de bara kan existera vid ultrakalla temperaturer. Deras existens hade länge misstänkts men har aldrig påvisats experimentellt – förrän nu.
De polyatomiska molekylerna som skapas i denna nya studie består av mer än två atomer och har framgångsrikt kylts ner till 134 nanokelvin - mer än 3 000 gånger kallare än temperaturen hos tidigare skapade tetraatomiska molekyler. Denna prestation är inte bara en ny bedrift inom molekylär fysik, utan också ett betydande steg framåt i studiet av exotisk ultrakall materia. Forskningen publiceras i Nature .
För ungefär två decennier sedan förutspådde den amerikanske teoretiska fysikern John Bohn och hans kollegor en ny typ av bindning mellan polära molekyler:Om molekylerna bär en asymmetriskt fördelad laddning – vad fysiker kallar polaritet – kan de kombineras i ett elektriskt fält för att bilda svagt bundna "supermolekyler". ."
Beteendet hos dessa polära molekyler kan ses som kompassnålar inuti ett hårt skal. När de förs nära varandra upplever kompassnålar en attraktion som är starkare än jordens magnetfält och de pekar mot varandra istället för att riktas mot norr.
Ett liknande fenomen kan observeras med polära molekyler, som under specifika förhållanden kan bilda ett unikt bundet tillstånd via elektriska krafter. Deras band påminner lite om ett dansande par som håller hårt om varandra samtidigt som de hela tiden håller ett visst avstånd.
Supermolekylernas bundna tillstånd är mycket svagare än typiska kemiska bindningar, men samtidigt mycket längre räckvidd. Supermolekyler delar en bindningslängd över avstånd som är flera hundra gånger längre än normalt bundna molekyler.
På grund av denna långväga natur är sådana supermolekyler mycket känsliga:Om parametrarna för det elektriska fältet ändras endast lite vid ett kritiskt värde, förändras krafterna mellan molekylerna dramatiskt - ett fenomen som kallas "fältlänkad resonans. " Detta gör det möjligt för forskarna att flexibelt variera formen och storleken på molekylerna med ett mikrovågsfält.
Ultrakalla polyatomiska molekyler innehåller en rik inre struktur som erbjuder spännande nya möjligheter inom kall kemi, precisionsmätningar och i kvantinformationsbehandling. Men deras höga komplexitet jämfört med diatomiska molekyler utgör en stor utmaning för användningen av konventionella kyltekniker som direkt laserkylning och evaporativ kylning.
Forskare i "NaK Lab" (natriumkaliumlab) vid MPQ, ledda av Dr. Xin-Yu Luo, Dr. Timon Hilker och Prof. Immanuel Bloch, har uppnått en rad banbrytande och Natur -publicerade upptäckter de senaste åren, som var avgörande för att äntligen övervinna denna utmaning.
Först, 2021, uppfann forskare i detta labb en ny kylningsteknik för polära molekyler med hjälp av ett roterande mikrovågsfält med hög effekt, och satte därmed ett nytt lågtemperaturrekord:21 miljarddelar av en grad över absolut noll vid minus 273,15 grader Celsius.
Ett år senare lyckades forskarna skapa de nödvändiga förutsättningarna för att observera signaturen av bindning mellan dessa molekyler i spridningsexperiment för första gången. Detta gav det första indirekta beviset på existensen av dessa teoretiskt länge förutspådda exotiska konstruktioner.
Nu finns det till och med direkta bevis eftersom forskarna har kunnat skapa och stabilisera dessa supermolekyler i sitt experiment. Avbildning av dessa "supermolekyler" avslöjade deras p-vågssymmetri – en unik egenskap som är avgörande för realiseringen av topologiska kvantmaterial, som i sin tur kan vara relevanta för feltoleranta kvantberäkningar.
"Denna forskning kommer att få omedelbara och långtgående konsekvenser", säger Xing-Yan Chen, Ph.D. Kandidat och första författare till uppsatsen. "Eftersom metoden är tillämpbar på ett brett spektrum av molekylära arter, gör den det möjligt att utforska en mycket större variation av ultrakalla polyatomiska molekyler. I framtiden kan den göra det möjligt att skapa ännu större och längre levande molekyler som specifikt skulle vara intressanta för precision metrologi eller kvantkemi."
"Vi kom fram till dessa fynd också tack vare vårt nära samarbete med Prof. Tao Shi och hans team från CAS," tillägger Dr. Luo, experimentets huvudutredare. "Vårt nästa mål är att ytterligare kyla ned dessa bosoniska "supermolekyler" för att bilda ett Bose-Einstein-kondensat (BEC), där molekylerna rör sig tillsammans. Detta perspektiv har en viktig potential för vår grundläggande förståelse av kvantfysik. Vad som är mer fantastiskt är att genom att genom att helt enkelt ställa in ett mikrovågsfält kan en BEC av "supermolekyler" omvandlas till en ny kvantvätska av fermioniska molekyler som bevarar den speciella p-vågssymmetrin."
Mer information: Xing-Yan Chen et al, Ultracold field-linked tetraatomic molecules, Nature (2024). DOI:10.1038/s41586-023-06986-6
Journalinformation: Natur
Tillhandahålls av Max Planck Society
