W Kolumbii pojawia się wyjątkowy kwantowy stan materii

Fizycy w Uniwersytet Columbia Doprowadzili cząsteczki do nowej, ultrazimnej skrajności i stworzyli stan materii, w którym króluje mechanika kwantowa.

W mieście jest nowy, ekscytujący BEC, który nie ma nic wspólnego z bekonem, jajkami i serem. Nie znajdziesz go w lokalnym domu towarowym, ale w najzimniejszym miejscu Nowego Jorku: laboratorium fizyka Sebastiana Weyla z Uniwersytetu Columbia, którego grupa eksperymentalna specjalizuje się w doprowadzaniu atomów i cząsteczek do temperatur zaledwie o ułamek stopnia wyższych. Zero absolutne.

Pisać w NaturaWeyl Lab, przy wsparciu współpracownika teoretycznego Tijsa Karmana z Uniwersytetu Radboud w Holandii, udało się stworzyć z cząsteczek unikalny kwantowy stan materii zwany kondensatem Bosego-Einsteina (BEC).

Przełom w kondensatach Bosego-Einsteina

Ich BEC jest schłodzony do zaledwie pięciu nanokelwinów, czyli około -459,66 stopnia Fahrenheita, jest stabilny przez niezwykle długie dwie sekundy i składa się z cząsteczek sodu i cezu. Podobnie jak cząsteczki wody, cząsteczki te są polarne, co oznacza, że ​​niosą zarówno ładunek dodatni, jak i ładunek ujemny. Weil zauważył, że niezrównoważony rozkład ładunku elektrycznego ułatwia interakcje dalekiego zasięgu, które składają się na najciekawszą fizykę.

Badania, które Weill Lab z radością prowadzi za pomocą Bose-Einstein Molecular, obejmują badanie szeregu różnych zjawisk kwantowych, w tym nowych typów nadciekłości, czyli stanu materii, który płynie bez żadnego tarcia. Mają także nadzieję zamienić swoje Bosego-Einsteina w symulatory, które będą w stanie odtworzyć zagadkowe właściwości kwantowe bardziej złożonych materiałów, takich jak stałe kryształy.

Za pomocą mikrofal fizycy z Kolumbii stworzyli kondensat Bosego-Einsteina, unikalny stan materii, z cząsteczek sodu i cezu. Zdjęcie: Well Lab, Uniwersytet Columbia/Miles Marshall

„Molekularne kondensaty Bosego-Einsteina otwierają zupełnie nowe obszary badań, od prawdziwego zrozumienia fizyki podstawowej po opracowanie potężnych symulacji kwantowych” – powiedział. „To ekscytujące osiągnięcie, ale tak naprawdę to dopiero początek”.

To spełnienie marzeń Weill Lab i dekada pracy dla większej społeczności badawczej zajmującej się ultrazimnymi metodami.

Ultrazimne cząsteczki, tworzenie od stulecia

Nauka o BEC sięga stulecia wstecz, od fizyków Satyendry Nath Bose i Alberta Einsteina. W serii artykułów opublikowanych w latach 1924 i 1925 przewidywali, że zbiór cząstek schłodzonych niemal do stanu spoczynku połączy się w jeden, większy atom o wspólnych właściwościach i zachowaniu podyktowanym prawami mechaniki kwantowej. Gdyby udało się stworzyć BEC, zapewniłyby badaczom atrakcyjną platformę do badania mechaniki kwantowej w skali bardziej przystępnej niż pojedyncze atomy czy cząsteczki.

Od tych pierwszych przewidywań teoretycznych minęło około 70 lat, ale pierwsze atomowe BEC powstały w 1995 r. Osiągnięcie to zostało docenione Nagrodą Nobla w dziedzinie fizyki w 2001 r., mniej więcej w czasie, gdy Weyl rozpoczynał studia fizyczne na Uniwersytecie w Moguncji. W Niemczech. Laboratoria obecnie rutynowo wytwarzają atomy Bosego-Einsteina z kilku różnych typów atomów. Te BEC poszerzyły naszą wiedzę na temat takich pojęć, jak falowa natura materii i nadciecze, oraz doprowadziły do ​​rozwoju technologii, takich jak między innymi kwantowe mikroskopy gazowe i symulatory kwantowe.

Od lewej do prawej: pracownik naukowy Ian Stevenson; doktorant Niccolò Bigagli; doktorant Weijun Yuan; Student uniwersytetu Borys Bułatowicz; doktorant Siwei Zhang; i główny śledczy Sebastian Weil. Nie pokazano: Tejce Kerman. Źródło: Uniwersytet Columbia

Ale atomy, ogólnie rzecz biorąc, są stosunkowo proste. Są to okrągłe obiekty i zwykle nie zawierają interakcji, które mogłyby wynikać z polaryzacji. Odkąd opracowano pierwsze atomowe BEC, naukowcy chcieli stworzyć bardziej złożone wersje składające się z cząsteczek. Jednak nawet proste cząsteczki dwuatomowe złożone z dwóch atomów różnych pierwiastków połączonych ze sobą okazały się trudne do schłodzenia poniżej temperatury potrzebnej do utworzenia prawidłowego BEC.

Pierwszy przełom nastąpił w 2008 roku, kiedy Deborah Jin i Jun Yi, fizycy z Instytutu Gila w Boulder w Kolorado, schłodzili gaz złożony z cząsteczek potasu i rubidu do temperatury około 350 nanokelwinów. Takie ultrazimne cząsteczki okazały się w ostatnich latach przydatne do przeprowadzania symulacji kwantowych, badania zderzeń molekularnych i chemii kwantowej, jednak aby przekroczyć próg BEC, potrzebne były niższe temperatury.

W 2023 roku stworzył Will’s Lab Pierwszy wyjątkowo zimny gaz wybranej przez siebie cząsteczki, sodu i cezu, stosując kombinację chłodzenia laserowego i manipulacji magnetycznej, podobnie jak w podejściu Jin Wei. Aby było chłodniej, przynieśli kuchenki mikrofalowe.

Innowacje z kuchenką mikrofalową

Mikrofale są formą promieniowania elektromagnetycznego i mają w Kolumbii długą historię. W latach trzydziestych XX wieku fizyk Isidore Isaac Rabi, późniejszy laureat Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki, przeprowadził pionierskie prace nad mikrofalami, które doprowadziły do ​​​​opracowania pokładowych systemów radarowych. „Rabe był jednym z pierwszych, którzy opanowali stany kwantowe cząsteczek i był pionierem w badaniach mikrofalowych” – powiedział Weil. „Nasza firma kontynuuje tę 90-letnią tradycję.”

Chociaż być może znasz rolę mikrofal w podgrzewaniu żywności, okazuje się, że mogą one również ułatwić proces chłodzenia. Poszczególne cząsteczki mają tendencję do zderzania się ze sobą i w rezultacie tworzą większe kompleksy, które znikają z próbek. Mikrofale mogą tworzyć maleńkie osłony wokół każdej cząsteczki, zapobiegając ich kolizji, co zaproponował Karman, ich kolega z Holandii. Dzięki zabezpieczeniu cząsteczek przed przeoczonymi zderzeniami z próbki można w preferencyjny sposób usunąć tylko najgorętsze cząsteczki. Jest to ta sama zasada fizyczna, która chłodzi filiżankę kawy, gdy dmucha się w nią, wyjaśnia autor Niccolò Bigagli. Pozostałe cząsteczki będą zimniejsze, a ogólna temperatura próbki spadnie.

Zeszłej jesieni zespół był bliski stworzenia molekularnego BEC w pracy opublikowanej w Fizyka przyrody Który wprowadził metodę ekranowania mikrofalowego. Potrzebny był jednak kolejny eksperymentalny rozwój. Po dodaniu drugiego pola mikrofalowego chłodzenie stało się wydajniejsze, a sód cezu w końcu przekroczył próg BEC, co było celem, który laboratorium Weilla osiągnęło od otwarcia w Kolumbii w 2018 r.

„To był dla mnie wspaniały finał” – powiedział Bigagli, który wiosną tego roku uzyskał doktorat z fizyki i był członkiem-założycielem laboratorium. „Przeszliśmy od braku laboratorium do uzyskania niesamowitych wyników”.

Oprócz ograniczania kolizji drugie pole mikrofalowe może również kontrolować orientację cząsteczek. To z kolei jest sposobem kontrolowania ich interakcji, nad którym obecnie pracuje laboratorium. „Kontrolując te interakcje dipolowe, mamy nadzieję stworzyć nowe stany kwantowe i fazy materii” – powiedział Ian Stevenson, współautor i badacz ze stopniem doktora na Uniwersytecie Columbia.

Otwiera się nowy świat fizyki kwantowej

Yi, pionier nauki o ultrazimnie z Boulder, uważa wyniki za piękny fragment nauki. „Prace będą miały ważne implikacje dla wielu dziedzin nauki, w tym badań chemii kwantowej i badań silnie sprzężonych materiałów kwantowych” – skomentował. „Eksperyment Weilla umożliwia precyzyjną kontrolę interakcji molekularnych, aby poprowadzić system do pożądanego rezultatu, co jest niezwykłym osiągnięciem w technologii kontroli kwantowej”.

Tymczasem zespół z Columbii jest podekscytowany możliwością eksperymentalnego sprawdzenia teoretycznego opisu oddziaływań międzycząsteczkowych. „Mamy już dobre pojęcie o interakcjach w tym układzie, co jest również kluczowe dla kolejnych kroków, takich jak badanie fizyki ciał wielobiegunowych” – powiedział Kerman. „Wymyśliliśmy schematy kontrolowania reakcji, przetestowaliśmy je teoretycznie i wdrożyliśmy w eksperymencie. To było naprawdę fajne doświadczenie, móc zobaczyć, jak te pomysły na «ochronę» mikrofalową wdrożono w laboratorium”.

Istnieją dziesiątki przewidywań teoretycznych, które można obecnie przetestować eksperymentalnie przy użyciu molekularnych BEC, które, jak zauważa współautor i doktorant Siwei Zhang, są dość stabilne. Większość eksperymentów z ultrazimnymi temperaturami przeprowadza się w ciągu jednej sekundy, niektóre trwają zaledwie kilka milisekund, ale reakcje molekularne BEC w laboratorium trwają dłużej niż dwie sekundy. „To pozwoli nam zbadać otwarte kwestie w fizyce kwantowej” – powiedział.

Jednym z pomysłów jest stworzenie sztucznych kryształów Bosego-Einsteina uwięzionych w siatce optycznej wykonanej z laserów. Umożliwiłoby to potężne symulacje kwantowe naśladujące interakcje w naturalnych kryształach, zauważył Weil, i jest obszarem zainteresowania fizyki materii skondensowanej. Symulatory kwantowe są rutynowo tworzone przy użyciu atomów, ale atomy wchodzą w interakcje o krótkim zasięgu – gdzie praktycznie muszą znajdować się jeden na drugim – co ogranicza zakres, w jakim mogą modelować bardziej złożone materiały. „Molekularny BEC zapewni więcej smaku” – powiedział Weil.

Obejmuje to wymiary, powiedział współpierwszy autor i doktorant Weijun Yuan. „Chcielibyśmy wykorzystać BEC w systemie 2D. Kiedy przejdziemy z 3D do 2D, zawsze można spodziewać się pojawienia się nowej fizyki. Materiały 2D są głównym obszarem badań na Uniwersytecie Columbia, którego system modelowy jest zbudowany na bazie molekularnej BEC mogłyby pomóc Weilowi ​​i jego współpracownikom w intensywnym badaniu zjawisk kwantowych, w tym nadprzewodnictwa, nadciekłości i innych.

„Wygląda na to, że otwiera się przed nami zupełnie nowy świat możliwości” – powiedział Will.

Odniesienie: „Obserwacja kondensatów Bosego-Einsteina cząstek dipolowych” Niccolò Bigagli, Weijun Yuan, Siwei Zhang, Boris Bulatovic, Tess Carman, Ian Stevenson i Sebastian Weyl, 3 czerwca 2024 r., Natura.
doi: 10.1038/s41586-024-07492-z