Μια μοναδική κβαντική κατάσταση έχει εμφανιστεί στην Κολομβία

Φυσικοί σε Πανεπιστήμιο Κολούμπια Έχουν οδηγήσει τα μόρια σε ένα νέο, υπερψυχρό άκρο και δημιούργησαν μια κατάσταση ύλης όπου η κβαντική μηχανική κυριαρχεί.

Υπάρχει ένα συναρπαστικό νέο BEC στην πόλη που δεν έχει καμία σχέση με το μπέικον, τα αυγά και το τυρί. Δεν θα το βρείτε στο τοπικό πολυκατάστημά σας, αλλά στο πιο κρύο μέρος της Νέας Υόρκης: το εργαστήριο του φυσικού Sebastian Weyl του Πανεπιστημίου Κολούμπια, του οποίου η πειραματική ομάδα ειδικεύεται στην ώθηση ατόμων και μορίων σε θερμοκρασίες μόλις κλάσματα ενός βαθμού υψηλότερες. Απόλυτο μηδενικό.

Γράφοντας μέσα φύσητο Weyl Lab, με την υποστήριξη του θεωρητικού συνεργάτη Tijs Karman στο Πανεπιστήμιο Radboud στην Ολλανδία, κατάφερε να δημιουργήσει μια μοναδική κβαντική κατάσταση της ύλης που ονομάζεται συμπύκνωμα Bose-Einstein (BEC) από μόρια.

Ανακάλυψη στα συμπυκνώματα Bose-Einstein

Το BEC τους ψύχεται σε μόλις πέντε νανοκελβίνες, ή περίπου -459,66 βαθμούς Φαρενάιτ, είναι σταθερό για εντυπωσιακά μεγάλα δύο δευτερόλεπτα και αποτελείται από μόρια νατρίου και καισίου. Όπως τα μόρια του νερού, αυτά τα μόρια είναι πολικά, που σημαίνει ότι φέρουν θετικό και αρνητικό φορτίο. Ο Weil σημείωσε ότι η μη ισορροπημένη κατανομή του ηλεκτρικού φορτίου διευκολύνει τις αλληλεπιδράσεις μεγάλης εμβέλειας που συνθέτουν την πιο ενδιαφέρουσα φυσική.

Η έρευνα που επιθυμεί να συνεχίσει το Weill Lab με το Bose-Einstein Molecular περιλαμβάνει την εξερεύνηση πολλών διαφορετικών κβαντικών φαινομένων, συμπεριλαμβανομένων νέων τύπων υπερρευστότητας, μιας κατάστασης ύλης που ρέει χωρίς να αντιμετωπίζει καμία τριβή. Ελπίζουν επίσης να μετατρέψουν τα Bose-Einstein τους σε προσομοιωτές που μπορούν να αναδημιουργήσουν τις αινιγματικές κβαντικές ιδιότητες πιο περίπλοκων υλικών, όπως οι στερεοί κρύσταλλοι.

Με τη βοήθεια μικροκυμάτων, οι φυσικοί της Κολούμπια δημιούργησαν ένα συμπύκνωμα Bose-Einstein, μια μοναδική κατάσταση ύλης, από μόρια νατρίου και καισίου. Πίστωση εικόνας: Well Lab, Πανεπιστήμιο Columbia/Miles Marshall

«Τα μοριακά συμπυκνώματα Bose-Einstein ανοίγουν εντελώς νέους τομείς έρευνας, από την αληθινή κατανόηση της θεμελιώδης φυσικής έως την ανάπτυξη ισχυρών κβαντικών προσομοιώσεων», είπε. “Αυτό είναι ένα συναρπαστικό επίτευγμα, αλλά είναι πραγματικά μόνο η αρχή.”

Είναι ένα όνειρο που έγινε πραγματικότητα για το Weill Lab, και μια δεκαετία στα σκαριά για τη μεγαλύτερη ερευνητική κοινότητα υπερψυχρού.

Υπερψυχρά μόρια, ένας αιώνας στα σκαριά

Η επιστήμη των BEC ξεκινά έναν αιώνα στους φυσικούς Satyendra Nath Bose και Albert Einstein. Σε μια σειρά εγγράφων που δημοσιεύθηκαν το 1924 και το 1925, προέβλεψαν ότι μια συλλογή σωματιδίων που θα ψύχονταν σχεδόν σε στάση θα συγχωνευόταν σε ένα ενιαίο, μεγαλύτερο άτομο με κοινές ιδιότητες και συμπεριφορές που υπαγορεύονται από τους νόμους της κβαντικής μηχανικής. Εάν μπορούσαν να δημιουργηθούν BEC, θα παρείχαν στους ερευνητές μια ελκυστική πλατφόρμα για να εξερευνήσουν την κβαντική μηχανική σε πιο προσιτή κλίμακα από τα μεμονωμένα άτομα ή μόρια.

Χρειάστηκαν περίπου 70 χρόνια από αυτές τις πρώτες θεωρητικές προβλέψεις, αλλά τα πρώτα ατομικά BEC δημιουργήθηκαν το 1995. Αυτό το επίτευγμα αναγνωρίστηκε με το βραβείο Νόμπελ Φυσικής το 2001, περίπου την εποχή που ο Weyl ξεκίνησε τη φυσική στο Πανεπιστήμιο του Μάιντς. Στα γερμανικά. Τα εργαστήρια πλέον κατασκευάζουν τακτικά άτομα Bose-Einstein από πολλούς διαφορετικούς τύπους ατόμων. Αυτά τα BEC έχουν επεκτείνει την κατανόησή μας για έννοιες όπως η κυματική φύση της ύλης και των υπερρευστών και έχουν οδηγήσει στην ανάπτυξη τεχνολογιών όπως τα κβαντικά μικροσκόπια αερίων και οι κβαντικοί προσομοιωτές, για να αναφέρουμε μερικές.

Από αριστερά προς τα δεξιά: Associate Research Scientist Ian Stevenson; Διδακτορικός φοιτητής Niccolò Bigagli; Διδακτορικός φοιτητής Weijun Yuan; Πανεπιστημιακός Μπόρις Μπουλάτοβιτς; διδακτορικός φοιτητής Siwei Zhang? και ο επικεφαλής ερευνητής Sebastian Weil. Δεν εμφανίζεται: Tejce Kerman. Πίστωση: Πανεπιστήμιο Κολούμπια

Αλλά τα άτομα, στο μεγάλο σχήμα των πραγμάτων, είναι σχετικά απλά. Είναι στρογγυλά αντικείμενα και συνήθως δεν έχουν τις αλληλεπιδράσεις που θα προέκυπταν από την πολικότητα. Από τότε που επιτεύχθηκαν τα πρώτα ατομικά BEC, οι επιστήμονες ήθελαν να δημιουργήσουν πιο σύνθετες εκδόσεις από μόρια. Αλλά ακόμη και απλά διατομικά μόρια που αποτελούνται από δύο άτομα διαφορετικών στοιχείων συνδεδεμένα μεταξύ τους έχουν αποδειχθεί δύσκολο να κρυώσουν κάτω από τη θερμοκρασία που απαιτείται για να σχηματιστεί ένα σωστό BEC.

Η πρώτη ανακάλυψη ήρθε το 2008 όταν η Deborah Jin και ο Jun Yi, φυσικοί στο Ινστιτούτο Gila στο Boulder του Κολοράντο, ψύξαν ένα αέριο μορίων καλίου και ρουβιδίου σε περίπου 350 nanokelvin. Τέτοια υπερψυχρά μόρια έχουν αποδειχθεί χρήσιμα για την εκτέλεση κβαντικών προσομοιώσεων, τη μελέτη μοριακών συγκρούσεων και την κβαντική χημεία τα τελευταία χρόνια, αλλά για να ξεπεραστεί το όριο BEC, χρειάστηκαν χαμηλότερες θερμοκρασίες.

Το 2023 δημιούργησε το Will's Lab Το πρώτο εξαιρετικά κρύο αέριο από το μόριο που επέλεξαν, νάτριο και καίσιο, χρησιμοποιώντας έναν συνδυασμό ψύξης με λέιζερ και μαγνητικού χειρισμού, παρόμοιο με την προσέγγιση του Jin Wei. Για να το κάνουν πιο δροσερό, έφεραν φούρνο μικροκυμάτων.

Καινοτομίες με τον φούρνο μικροκυμάτων

Τα μικροκύματα είναι μια μορφή ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας και έχουν μακρά ιστορία στην Κολομβία. Στη δεκαετία του 1930, ο φυσικός Isidore Isaac Rabi, ο οποίος αργότερα κέρδισε το βραβείο Νόμπελ Φυσικής, έκανε πρωτοποριακή εργασία στα μικροκύματα που οδήγησε στην ανάπτυξη αερομεταφερόμενων συστημάτων ραντάρ. «Ο Rabe ήταν ένας από τους πρώτους που κατέκτησε τις κβαντικές καταστάσεις των μορίων και ήταν πρωτοπόρος στην έρευνα για τα μικροκύματα», είπε ο Weil. «Η επιχείρησή μας ακολουθεί αυτή την παράδοση 90 ετών».

Αν και μπορεί να γνωρίζετε τον ρόλο των μικροκυμάτων στη θέρμανση του φαγητού σας, αποδεικνύεται ότι μπορούν επίσης να διευκολύνουν τη διαδικασία ψύξης. Μεμονωμένα μόρια τείνουν να συγκρούονται μεταξύ τους και, ως αποτέλεσμα, σχηματίζουν μεγαλύτερα σύμπλοκα που εξαφανίζονται από τα δείγματα. Τα μικροκύματα μπορούν να δημιουργήσουν μικροσκοπικές ασπίδες γύρω από κάθε μόριο, αποτρέποντας τη σύγκρουσή τους, μια ιδέα που πρότεινε ο Κάρμαν, ο συνάδελφός τους στην Ολλανδία. Με τα μόρια που προστατεύονται από χαμένες συγκρούσεις, μόνο τα πιο καυτά μόρια μπορούν να αφαιρεθούν κατά προτίμηση από το δείγμα, η οποία είναι η ίδια φυσική αρχή που δροσίζει το φλιτζάνι του καφέ σας όταν φυσάτε στην κορυφή του, εξηγεί ο συγγραφέας Niccolò Bigagli. Αυτά τα μόρια που απομένουν θα είναι πιο κρύα και η συνολική θερμοκρασία του δείγματος θα μειωθεί.

Η ομάδα έφτασε κοντά στη δημιουργία ενός μοριακού BEC το περασμένο φθινόπωρο σε εργασία που δημοσιεύτηκε στο Φυσική της φύσης Η οποία εισήγαγε τη μέθοδο θωράκισης μικροκυμάτων. Χρειαζόταν όμως μια άλλη πειραματική ανάπτυξη. Όταν πρόσθεσαν ένα δεύτερο πεδίο μικροκυμάτων, η ψύξη έγινε πιο αποτελεσματική και το νάτριο καισίου πέρασε τελικά το όριο BEC, έναν στόχο που πέτυχε το Weil Lab από τότε που άνοιξε στην Κολούμπια το 2018.

«Αυτό ήταν ένα υπέροχο φινάλε για μένα», είπε ο Bigagli, ο οποίος αποφοίτησε με διδακτορικό στη φυσική αυτή την άνοιξη και ήταν ιδρυτικό μέλος του εργαστηρίου. «Φτάσαμε από το να μην έχουμε ακόμη εργαστήριο σε αυτά τα εκπληκτικά αποτελέσματα».

Εκτός από τη μείωση των συγκρούσεων, το δεύτερο πεδίο μικροκυμάτων μπορεί επίσης να ελέγξει τον προσανατολισμό των μορίων. Αυτός, με τη σειρά του, είναι ένας τρόπος ελέγχου του πώς αλληλεπιδρούν, τον οποίο το εργαστήριο διερευνά αυτήν τη στιγμή. «Ελέγχοντας αυτές τις διπολικές αλληλεπιδράσεις, ελπίζουμε να δημιουργήσουμε νέες κβαντικές καταστάσεις και φάσεις της ύλης», δήλωσε ο Ian Stevenson, συν-συγγραφέας και μεταδιδακτορικός ερευνητής στο Πανεπιστήμιο Columbia.

Ένας νέος κόσμος κβαντικής φυσικής ανοίγει

Ο Yi, ένας πρωτοπόρος της υπερψυχρής επιστήμης με βάση το Boulder, θεωρεί τα αποτελέσματα ένα όμορφο κομμάτι της επιστήμης. «Η εργασία θα έχει σημαντικές επιπτώσεις σε μια σειρά από επιστημονικά πεδία, συμπεριλαμβανομένης της μελέτης της κβαντικής χημείας και της εξερεύνησης ισχυρά συζευγμένων κβαντικών υλικών», σχολίασε. «Το πείραμα του Weill διαθέτει ακριβή έλεγχο των μοριακών αλληλεπιδράσεων για να καθοδηγήσει το σύστημα προς ένα επιθυμητό αποτέλεσμα, ένα αξιοσημείωτο επίτευγμα στην τεχνολογία κβαντικού ελέγχου».

Εν τω μεταξύ, η ομάδα της Κολούμπια είναι ενθουσιασμένη που έχει μια θεωρητική περιγραφή των διαμοριακών αλληλεπιδράσεων επικυρωμένη πειραματικά. «Έχουμε ήδη μια καλή ιδέα για τις αλληλεπιδράσεις σε αυτό το σύστημα, το οποίο είναι επίσης κρίσιμο για τα επόμενα βήματα, όπως η εξερεύνηση της φυσικής των πολυπολικών σωμάτων», είπε ο Kerman. “Καταλήξαμε σε σχήματα για να ελέγξουμε τις αντιδράσεις, τις δοκιμάσαμε θεωρητικά και τις εφαρμόσαμε σε πειράματα. Ήταν μια πραγματικά δροσερή εμπειρία να δεις αυτές τις ιδέες “προστασίας από μικροκύματα” να υλοποιούνται στο εργαστήριο.”

Υπάρχουν δεκάδες θεωρητικές προβλέψεις που μπορούν τώρα να δοκιμαστούν πειραματικά χρησιμοποιώντας μοριακά BEC, οι οποίες ο συν-πρώτος συγγραφέας και διδακτορικός φοιτητής Siwei Zhang επισημαίνει ότι είναι αρκετά σταθερές. Τα περισσότερα υπερψυχρά πειράματα εκτελούνται μέσα σε ένα δευτερόλεπτο, μερικά είναι τόσο σύντομα όσο μερικά χιλιοστά του δευτερολέπτου, αλλά οι μοριακές αντιδράσεις BEC στο εργαστήριο διαρκούν περισσότερο από δύο δευτερόλεπτα. «Αυτό θα μας επιτρέψει να διερευνήσουμε ανοιχτά ερωτήματα στην κβαντική φυσική», είπε.

Μια ιδέα είναι να δημιουργηθούν τεχνητοί κρύσταλλοι Bose-Einstein παγιδευμένοι σε ένα οπτικό πλέγμα κατασκευασμένο από λέιζερ. Αυτό θα επέτρεπε ισχυρές κβαντικές προσομοιώσεις που μιμούνται τις αλληλεπιδράσεις σε φυσικούς κρυστάλλους, σημείωσε ο Weil, και είναι μια περιοχή εστίασης στη φυσική της συμπυκνωμένης ύλης. Οι κβαντικοί προσομοιωτές κατασκευάζονται συνήθως με χρήση ατόμων, αλλά τα άτομα έχουν αλληλεπιδράσεις μικρής εμβέλειας – όπου πρέπει πρακτικά να βρίσκονται το ένα πάνω στο άλλο – γεγονός που περιορίζει τον βαθμό στον οποίο μπορούν να μοντελοποιήσουν πιο πολύπλοκα υλικά. «Το Molecular BEC θα προσφέρει περισσότερη γεύση», είπε ο Weil.

Αυτό περιλαμβάνει διαστάσεις, είπε ο συν-πρώτος συγγραφέας και διδακτορικός φοιτητής Weijun Yuan. «Θα θέλαμε να χρησιμοποιήσουμε BEC σε ένα σύστημα 2D, όταν μετακινείστε από το 3D στο 2D, μπορείτε πάντα να αναμένετε την εμφάνιση νέων υλικών για την έρευνα στο Πανεπιστήμιο της Κολούμπια Τα BEC θα μπορούσαν να βοηθήσουν τον Weil και τους συναδέλφους του στο θέμα Εντατική για την εξερεύνηση κβαντικών φαινομένων, όπως η υπεραγωγιμότητα, η υπερρευστότητα και άλλα.

«Φαίνεται ότι ανοίγεται ένας εντελώς νέος κόσμος δυνατοτήτων», είπε ο Γουίλ.

Παραπομπή: «Παρατήρηση συμπυκνωμάτων Bose-Einstein σωματιδίων διπόλων» από τους Niccolò Bigagli, Weijun Yuan, Siwei Zhang, Boris Bulatovic, Tess Carman, Ian Stevenson και Sebastian Weyl, 3 Ιουνίου 2024, φύση.
doi: 10.1038/s41586-024-07492-z