Физики объединили тысячи молекул в единое квантовое состояние
Это стало важной вехой для квантовой физики: тысячи молекул были объединены в одно и то же квантовое состояние, двигаясь вместе в унисон, как одна огромная супер-молекула.
Это цель, к которой давно стремятся физики, которые надеются использовать сложные квантовые системы для технологических приложений, но заставить кучу неуправляемых молекул работать вместе — такая же трудность, как и пасти кошек.
«Люди пытались сделать это на протяжении десятилетий, поэтому мы очень взволнованы», — сказал физик Ченг Чин из Чикагского университета.
«Я надеюсь, что это может открыть новые области в квантовой химии многих тел. Есть свидетельства того, что впереди еще много открытий».
Концепция множества частиц, действующих вместе как одна большая частица, разделяющих свои квантовые состояния, не нова. Мы достигли этого и десятилетиями экспериментировали с облаками отдельных атомов в состоянии вещества, которое называется конденсатом Бозе-Эйнштейна.
Оно образуется из атомов, охлажденных до доли выше абсолютного нуля (но не до абсолютного нуля, когда атомы перестают двигаться). Это заставляет их опускаться до состояния с самой низкой энергией, перемещаясь чрезвычайно медленно, так что энергетические различия исчезают, что приводит к перекрытию в квантовой суперпозиции.
В результате получается облако атомов с высокой плотностью, которое действует как один «суператом» или материальная волна.
Однако молекулы состоят из множества связанных вместе атомов, и поэтому их намного труднее приручить.
Чтобы создать свой молекулярный конденсат Бозе-Эйнштейна, команда под руководством физика Чжендуна Чжана из Чикагского университета начала с атомного конденсата Бозе-Эйнштейна, используя газ из 60 000 атомов цезия.
Затем они охладили конденсат еще больше и увеличили магнитное поле так, что около 15 процентов атомов цезия столкнулись и попарно связались, образуя молекулы декезия. Несвязанные атомы были выброшены из ловушки, и был применен градиент магнитного поля, чтобы левитировать и удерживать оставшиеся молекулы в двумерной конфигурации.
«Как правило, молекулы хотят двигаться во всех направлениях, и если вы это допустите, они будут гораздо менее стабильными», — сказал Чин. «Мы ограничили молекулы так, чтобы они находились на двумерной поверхности и могли двигаться только в двух направлениях».
Образовавшийся газ состоял из молекул, которые, как выяснили ученые, находились в одном квантовом состоянии, с одинаковыми спинами, ориентацией и вибрацией.
Нам еще предстоит исследовать, на что способен молекулярный конденсат Бозе-Эйнштейна, но это значительный шаг в этом направлении, предоставляющий пустой холст для будущих экспериментов.
И не только для самого молекулярного конденсата, но и для перехода между атомарным и молекулярным конденсатами Бозе-Эйнштейна. Изучение того, как это работает, поможет ученым упростить процесс, чтобы мы могли создавать конденсаты с другими молекулами, которые, возможно, будет проще поддерживать или которые будут более эффективными для различных технологических приложений.
«В традиционном понимании химии вы думаете о нескольких атомах и молекулах, которые сталкиваются и образуют новую молекулу», — сказал Чин.
«Но в квантовом режиме все молекулы действуют вместе, в коллективном поведении. Это открывает совершенно новый способ исследовать, как все молекулы могут реагировать вместе, чтобы стать молекулами нового типа».
Исследование команды опубликовано в журнале Nature.
