Kvantteknik ger löften om snabbare datoranvändning, förbättrad läkemedelsutveckling och nya avkänningstillämpningar. Kvantbeteenden är dock svåra att studera experimentellt eftersom de flesta system bara kan upprätthålla kvanteffekter under en kort tid.

"Anledningen till att kvantfysikens mystiska egenskaper tenderar att försvinna så snabbt är en process som kallas dekoherens", säger Kaden Hazzard, docent i fysik och astronomi vid Rice University och en motsvarande författare i en studie publicerad i Nature Physics i> .

"Det uppstår när ett kvantsystem interagerar med sin omgivning och detta förändrar fysiken. Ju större systemet och desto större kopplingar till omgivningen, desto mer kommer systemet att bete sig på ett klassiskt, icke-kvantmässigt sätt - och du förlorar din förmåga att undersöka saker på kvantnivå."

Risforskare och samarbetspartner kunde förlänga kvantbeteendet i ett experimentellt system nästan 30 gånger genom att använda ultrakalla temperaturer och laservåglängder för att generera en "magisk fälla" som hjälpte till att fördröja uppkomsten av dekoherens. Studien är den första experimentella demonstrationen i sitt slag och ger en ny arena för att studera kvantinteraktioner.

Simon Cornishs grupp vid institutionen för fysik vid Durham University i Storbritannien samarbetade med Hazzard och hans grupp på Rice för att kyla molekyler till en miljard gånger under rumstemperatur för att skapa ett unikt kvantmekaniskt system. De ställer sedan in dessa molekyler för att rotera kvantmekaniskt – en situation som är analog med molekyler som riktar in sig och roterar både medurs och moturs samtidigt – med hjälp av mikrovågsstrålning.

"När du kyler atomer eller molekyler till dessa extremt låga temperaturer kan du kontrollera dem med ljus," sa Cornish. "Du kan faktiskt använda lasrar för att trycka på atomerna och få dem att gå dit du vill att de ska gå. Du kan också använda lasrar för att fånga eller hålla dem, och det ger dig en nivå av precision och kontroll som du inte skulle ha normalt ."

I allmänhet avtar koherensen av detta roterande beteende i de ultrakalla molekylerna under en mycket kort tid. Tidigare har det längsta registrerade kvanttillståndet för roterande molekyler uppmätts vid 1/20 av en sekund. Cornishs grupp inspirerades dock av teoretiskt arbete av Svetlana Kotochigova från Temple University som antydde att en viss "magisk" våglängd av ljus skulle kunna bevara kvantkoherensen under en längre tid.

"Kvantbeteende blir mer framträdande ju kallare systemet är och för kvantbeteendet till större längdskalor", säger Jonathan Stepp, doktorand i Hazzards grupp. "Och att ha lasrar på rätt våglängd kan "fånga" molekylerna, så att de kan rotera i låssteg, vilket bevarar kvantkoherensen under en längre tid."

När gruppen tillämpade denna teori i laboratoriet som en ny experimentell teknik skapade de en "magisk fälla" som höll molekylerna att rotera kvantmekaniskt under en betydligt längre tid. Medan Hazzard trodde att denna "magiska" laserfälla kunde öka kvantkoherensen med två eller tre gånger, blev han chockad över att se att den höll molekylerna jämnt roterande i nästan 1,5 sekunder – en 30-faldig ökning.

"Även om jag inte är förvånad över att det fungerade, är jag definitivt förvånad över hur bra det fungerade," sa Hazzard.

Zewen Zhang, en annan doktorand i Hazzards grupp, sa att förbättrade koherenstider kommer att göra det möjligt för forskare att studera grundläggande frågor om interagerande kvantmateria.

"När koherenstiderna blir längre avslöjas nya effekter", sa Zhang. "Vi kan börja utforska genom att jämföra de experimentella mätningarna med våra beräkningar. Förbättrad koherens är också ett steg till att använda ultrakalla molekyler som en plattform för olika kvantteknologier."

"Även om kvantbeteende låter som en väldigt exotisk sak, är det faktiskt ansvarigt för saker vi ser varje dag, från hur metaller leder elektricitet till hur fusion produceras av solen", tillade Hazzard, som är medlem i Rice Quantum Initiative och Smalley-Curl Institute. "Om du vill göra nya material, nya sensorer eller andra kvantteknologier måste du förstå vad som händer på kvantnivån, och den här forskningen är ett steg mot att nå nya insikter."

Mer information: Philip D. Gregory et al, Andra skala rotationskoherens och dipolära interaktioner i en gas av ultrakalla polära molekyler, Nature Physics (2024). DOI:10.1038/s41567-023-02328-5

Journalinformation: Naturfysik

Tillhandahålls av Rice University