В Колумбия се появява уникално квантово състояние на материята

Физиците в Колумбийски университет Те са довели молекулите до нова, ултрастудена крайност и са създали състояние на материята, в което квантовата механика царува върховно.

В града има вълнуващ нов BEC, който няма нищо общо с бекон, яйца и сирене. Няма да го намерите в местния универсален магазин, а в най-студеното място в Ню Йорк: лабораторията на физика Себастиан Уейл от Колумбийския университет, чиято експериментална група е специализирана в изтласкването на атоми и молекули до температури само с части от градуса по-високи. Абсолютна нула.

Пиши в природаЛабораторията на Will, с подкрепата на теоретичния сътрудник Tijs Karman от университета Radboud в Холандия, успя да създаде уникално квантово състояние, наречено кондензат на Бозе-Айнщайн (BEC) от молекули.

Пробив в кондензатите на Бозе-Айнщайн

BEC се охлажда до само пет нанокелвина, или около -459,66 градуса по Фаренхайт, и е стабилен за две дълги секунди и е направен от молекули натрий и цезий. Подобно на водните молекули, тези молекули са полярни, което означава, че носят както положителен, така и отрицателен заряд. Уейл отбеляза, че небалансираното разпределение на електрическия заряд улеснява взаимодействията на дълги разстояния, които съставляват най-интересната физика.

Изследването, което Weill Lab е развълнувано да продължи с Bose-Einstein Molecular, включва изследване на редица различни квантови феномени, включително нови видове свръхфлуидност, състояние на материята, което тече, без да изпитва никакво триене. Те също така се надяват да превърнат своите Бозе-Айнщайн в симулатори, които могат да пресъздадат енигматичните квантови свойства на по-сложни материали, като твърди кристали.

С помощта на микровълни физиците от Колумбийския университет създадоха кондензат на Бозе-Айнщайн, уникално състояние на материята, от молекули натрий и цезий. Кредит за изображение: Well Lab, Колумбийски университет/Майлс Маршал

„Молекулярните кондензати на Бозе-Айнщайн отварят напълно нови области на изследване, от истинското разбиране на фундаменталната физика до разработването на мощни квантови симулации“, каза той. „Това е вълнуващо постижение, но всъщност е само началото.“

Това е сбъдната мечта за Weill Lab и десетилетия в процес на създаване за по-голямата ултрастудена изследователска общност.

Свръхстудени молекули, век в процес на създаване

Науката за BEC се връща век назад във времето на физиците Сатиендра Нат Бозе и Алберт Айнщайн. В поредица от статии, публикувани през 1924 и 1925 г., те прогнозират, че колекция от частици, охладени почти до застой, ще се слеят в единичен по-голям атом с общи свойства и поведение, продиктувани от законите на квантовата механика. Ако могат да бъдат създадени BEC, те биха предоставили на изследователите привлекателна платформа за изследване на квантовата механика в по-достъпен мащаб от отделните атоми или молекули.

Отне около 70 години от тези първи теоретични прогнози, но първите атомни BEC бяха създадени през 1995 г. Това постижение беше признато от Нобеловата награда за физика през 2001 г., по времето, когато Уейл започна физика в университета в Майнц. В Германия. Сега лабораториите рутинно произвеждат атоми на Бозе-Айнщайн от няколко различни вида атоми. Тези BEC разшириха разбирането ни за концепции като вълновата природа на материята и свръхфлуидите и доведоха до разработването на технологии като квантови газови микроскопи и квантови симулатори, за да назовем само няколко.

Отляво надясно: асоцииран изследовател Иън Стивънсън; докторант Николо Бигали; докторант Weijun Yuan; Студент Борис Булатович; докторант Siwei Zhang; и водещият изследовател Себастиан Уейл. Не е показано: Tejce Kerman. Кредит: Колумбийския университет

Но атомите, в голямата схема на нещата, са относително прости. Те са кръгли обекти и обикновено не съдържат взаимодействия, които биха могли да възникнат от полярността. Откакто бяха постигнати първите атомни BEC, учените искаха да създадат по-сложни версии, направени от молекули. Но дори простите двуатомни молекули, съставени от два атома на различни елементи, свързани заедно, се оказаха трудни за охлаждане под температурата, необходима за образуване на правилен BEC.

Първият пробив дойде през 2008 г., когато Дебора Джин и Джун И, физици от института Гила в Боулдър, Колорадо, охладиха газ от молекули калий и рубидий до около 350 нанокелвина. Такива ултрастудени молекули се оказаха полезни за извършване на квантови симулации, изучаване на молекулярни сблъсъци и квантова химия през последните години, но за да се премине прага на BEC, бяха необходими по-ниски температури.

През 2023 г. той създава лабораторията на Уил Първият изключително студен газ от избраната от тях молекула, натрий и цезий, използвайки комбинация от лазерно охлаждане и магнитна манипулация, подобно на подхода на Jin Wei. За да стане по-хладно, донесоха микровълнови печки.

Иновации с микровълновата

Микровълните са форма на електромагнитно излъчване и имат дълга история в Колумбия. През 30-те години на миналия век физикът Изидор Айзък Раби, който по-късно спечели Нобелова награда по физика, направи пионерска работа в микровълните, която доведе до разработването на бордови радарни системи. „Рабе беше един от първите, които овладяха квантовите състояния на молекулите и беше пионер в микровълновите изследвания“, каза Уейл. „Нашият бизнес следва тази 90-годишна традиция.“

Въпреки че може би сте запознати с ролята на микровълните при затоплянето на вашата храна, оказва се, че те могат да улеснят и процеса на охлаждане. Индивидуалните молекули са склонни да се сблъскват една с друга и в резултат на това да образуват по-големи комплекси, които изчезват от пробите. Микровълните могат да създадат малки щитове около всяка молекула, предотвратявайки сблъсъка им, идея, предложена от Карман, техен колега в Холандия. С молекули, защитени от пропуснати сблъсъци, само най-горещите молекули могат да бъдат преференциално отстранени от пробата, което е същият физически принцип, който охлажда чашата ви за кафе, когато духате отгоре й, обяснява авторът Николо Бигали. Останалите молекули ще бъдат по-студени и общата температура на пробата ще намалее.

Екипът се доближи до създаването на молекулярен BEC миналата есен в работа, публикувана в Природна физика Което въведе метода за микровълново екраниране. Но беше необходима друга експериментална разработка. Когато добавиха второ микровълново поле, охлаждането стана по-ефективно и цезиевият натрий най-накрая премина прага на BEC, цел, която Weil Lab постигна от отварянето си в Колумбия през 2018 г.

„Това беше страхотен финал за мен“, каза Бигали, който се дипломира с докторска степен по физика тази пролет и беше един от основателите на лабораторията. „Преминахме от липса на лаборатория до тези невероятни резултати.“

В допълнение към намаляването на сблъсъците, второто микровълново поле може също да контролира ориентацията на молекулите. Това от своя страна е начин да се контролира как те взаимодействат, което лабораторията в момента проучва. „Като контролираме тези диполни взаимодействия, ние се надяваме да създадем нови квантови състояния и фази на материята“, каза Иън Стивънсън, съавтор и постдокторантски изследовател в Колумбийския университет.

Отваря се нов свят на квантовата физика

И, базиран в Боулдър пионер на ултрастудената наука, смята резултатите за красиво произведение на науката. „Работата ще има важни последици за редица научни области, включително изследването на квантовата химия и изследването на силно свързани квантови материали“, коментира той. „Експериментът на Weill включва прецизен контрол на молекулярните взаимодействия, за да насочи системата към желания резултат, забележително постижение в технологията за квантов контрол.“

Междувременно екипът на Колумбия е развълнуван да има теоретично описание на междумолекулните взаимодействия, потвърдено експериментално. „Вече имаме добра представа за взаимодействията в тази система, което също е от решаващо значение за следващите стъпки, като изследване на физиката на многополярните тела“, каза Керман. „Измислихме схеми за контрол на реакциите, тествахме ги теоретично и ги внедрихме в експеримент. Беше наистина страхотно изживяване да видим тези идеи за микровълнова „защита“ реализирани в лабораторията.“

Има десетки теоретични прогнози, които сега могат да бъдат тествани експериментално с помощта на молекулярни BECs, които съавтор и докторант Siwei Zhang посочва, че са доста стабилни. Повечето ултрастудени експерименти се извършват в рамките на една секунда, някои са само за няколко милисекунди, но BEC молекулярните реакции в лабораторията продължават повече от две секунди. „Това ще ни позволи да проучим откритите въпроси в квантовата физика“, каза той.

Една идея е да се създадат изкуствени кристали на Бозе-Айнщайн, хванати в оптична решетка, направена от лазери. Това би позволило мощни квантови симулации, които имитират взаимодействия в естествени кристали, отбеляза Weil, и е фокусна област във физиката на кондензираната материя. Квантовите симулатори се правят рутинно с помощта на атоми, но атомите имат взаимодействия на къси разстояния – където те трябва практически да са един върху друг – което ограничава степента, до която могат да моделират по-сложни материали. „Молекулярният BEC ще осигури повече вкус“, каза Weil.

Това включва измерения, каза съавтор и докторант Weijun Yuan. „Бихме искали да използваме BEC в 2D система, винаги можете да очаквате да се появят нови 2D материали, които са основна област на изследване в Колумбийския университет BEC могат да помогнат на Weil и колегите му в интензивното изследване на квантовите явления, включително свръхпроводимост, свръхфлуидност и др.

„Изглежда, че се отваря цял нов свят от възможности“, каза Уил.

Справка: „Наблюдение на кондензатите на Бозе-Айнщайн на диполни частици“ от Николо Бигали, Уейджун Юан, Сивей Джан, Борис Булатович, Тес Карман, Иън Стивънсън и Себастиан Уейл, 3 юни 2024 г. природа.
doi: 10.1038/s41586-024-07492-z