Er ontstaat een unieke kwantumtoestand van de materie in Colombia

Natuurkundigen binnen Columbia Universiteit Ze hebben moleculen naar een nieuw, ultrakoud uiterste gebracht en een toestand van materie gecreëerd waarin de kwantummechanica oppermachtig is.

Er is een opwindende nieuwe BEC in de stad die niets te maken heeft met spek, eieren en kaas. Je vindt het niet in je plaatselijke warenhuis, maar op de koudste plek van New York: het laboratorium van natuurkundige Sebastian Weyl van Columbia University, wiens experimentele groep gespecialiseerd is in het duwen van atomen en moleculen naar temperaturen die slechts een fractie van een graad hoger zijn. Absolute nulpunt.

Inschrijven natuuris het Weyl Lab, met steun van theoretisch medewerker Tijs Karman aan de Radboud Universiteit in Nederland, erin geslaagd een unieke kwantumtoestand van materie te creëren, een Bose-Einstein-condensaat (BEC) genaamd, uit moleculen.

Doorbraak in Bose-Einstein-condensaten

Hun BEC wordt gekoeld tot slechts vijf nanokelvin, of ongeveer -459,66 graden Fahrenheit, is opmerkelijk lang twee seconden stabiel en is gemaakt van natrium- en cesiummoleculen. Net als watermoleculen zijn deze moleculen polair, wat betekent dat ze zowel een positieve als een negatieve lading dragen. Weil merkte op dat de onevenwichtige verdeling van elektrische lading de langeafstandsinteracties mogelijk maakt die de meest interessante natuurkunde vormen.

Het onderzoek dat het Weill Lab graag wil voortzetten met Bose-Einstein Molecular omvat het onderzoeken van een aantal verschillende kwantumfenomenen, waaronder nieuwe soorten superfluïditeit, een toestand van materie die stroomt zonder enige wrijving te ervaren. Ze hopen ook hun Bose-Einsteins in simulatoren te veranderen die de raadselachtige kwantumeigenschappen van complexere materialen, zoals vaste kristallen, kunnen nabootsen.

Met behulp van microgolven hebben natuurkundigen uit Columbia een Bose-Einstein-condensaat gecreëerd, een unieke toestand van materie, uit natrium- en cesiummoleculen. Afbeelding tegoed: Well Lab, Columbia University/Miles Marshall

“Moleculaire Bose-Einstein-condensaten openen compleet nieuwe onderzoeksgebieden, van het echt begrijpen van fundamentele natuurkunde tot het ontwikkelen van krachtige kwantumsimulaties,” zei hij. “Dit is een opwindende prestatie, maar het is eigenlijk nog maar het begin.”

Het is een droom die uitkomt voor Weill Lab, en een decennia in de maak voor de grotere ultrakoude onderzoeksgemeenschap.

Ultrakoude moleculen, een eeuw in de maak

De wetenschap van BEC’s gaat een eeuw terug naar de natuurkundigen Satyendra Nath Bose en Albert Einstein. In een reeks artikelen gepubliceerd in 1924 en 1925 voorspelden ze dat een verzameling deeltjes die tot bijna stilstand waren afgekoeld, zouden samensmelten tot één enkel, groter atoom met gemeenschappelijke eigenschappen en gedragingen, gedicteerd door de wetten van de kwantummechanica. Als BEC’s zouden kunnen worden gecreëerd, zouden ze onderzoekers een aantrekkelijk platform bieden om de kwantummechanica op een toegankelijkere schaal te onderzoeken dan individuele atomen of moleculen.

Het duurde ongeveer 70 jaar sinds die eerste theoretische voorspellingen, maar de eerste atomaire BEC’s werden in 1995 gecreëerd. Deze prestatie werd erkend met de Nobelprijs voor de natuurkunde in 2001, rond de tijd dat Weyl natuurkunde begon aan de universiteit van Mainz. In Duitsland. Laboratoria vervaardigen nu routinematig Bose-Einstein-atomen uit verschillende soorten atomen. Deze BEC’s hebben ons begrip van concepten zoals de golfkarakteristiek van materie en supervloeistoffen vergroot en hebben geleid tot de ontwikkeling van technologieën zoals kwantumgasmicroscopen en kwantumsimulators, om er maar een paar te noemen.

Van links naar rechts: Associate Research Scientist Ian Stevenson; PhD-student Niccolò Bigagli; Promovendus Weijun Yuan; Universiteitsstudent Boris Bulatovich; promovendus Siwei Zhang; en hoofdonderzoeker Sebastian Weil. Niet afgebeeld: Tejce Kerman. Krediet: Columbia Universiteit

Maar atomen zijn, in het grote geheel der dingen, relatief eenvoudig. Het zijn ronde objecten en bevatten doorgaans geen interacties die voortkomen uit polariteit. Sinds de eerste atomaire BEC’s werden bereikt, wilden wetenschappers complexere versies van moleculen maken. Maar zelfs eenvoudige diatomische moleculen die bestaan ​​uit twee atomen van verschillende elementen die aan elkaar zijn gebonden, blijken moeilijk af te koelen tot onder de temperatuur die nodig is om een ​​goede BEC te vormen.

De eerste doorbraak kwam in 2008 toen Deborah Jin en Jun Yi, natuurkundigen aan het Gila Institute in Boulder, Colorado, een gas van kalium- en rubidiummoleculen afkoelden tot ongeveer 350 nanokelvin. Dergelijke ultrakoude moleculen zijn de afgelopen jaren nuttig gebleken voor het uitvoeren van kwantumsimulaties, het bestuderen van moleculaire botsingen en kwantumchemie, maar om de BEC-drempel te overschrijden waren lagere temperaturen nodig.

In 2023 creëerde hij Will’s Lab Het eerste extreem koude gas van het molecuul dat ze kozen, natrium en cesium, met behulp van een combinatie van laserkoeling en magnetische manipulatie, vergelijkbaar met de aanpak van Jin Wei. Om het koeler te maken, hebben ze magnetrons ingebouwd.

Innovaties met de magnetron

Microgolven zijn een vorm van elektromagnetische straling en hebben een lange geschiedenis in Colombia. In de jaren dertig deed natuurkundige Isidore Isaac Rabi, die later de Nobelprijs voor de natuurkunde won, baanbrekend werk op het gebied van microgolven dat leidde tot de ontwikkeling van radarsystemen in de lucht. “Rabe was een van de eersten die de kwantumtoestanden van moleculen beheerste en was een pionier op het gebied van microgolfonderzoek”, aldus Weil. “Ons bedrijf volgt deze 90-jarige traditie.”

Hoewel je misschien bekend bent met de rol van magnetrons bij het verwarmen van je voedsel, blijkt dat ze ook het koelproces kunnen vergemakkelijken. Individuele moleculen hebben de neiging met elkaar te botsen en als gevolg daarvan grotere complexen te vormen die uit de monsters verdwijnen. Microgolven kunnen kleine schildjes rond elk molecuul creëren, waardoor ze niet kunnen botsen, een idee voorgesteld door Karman, hun collega in Nederland. Omdat moleculen beschermd zijn tegen gemiste botsingen, kunnen alleen de heetste moleculen bij voorkeur uit het monster worden verwijderd, wat hetzelfde fysieke principe is dat je koffiekopje afkoelt als je erop blaast, legt auteur Niccolò Bigagli uit. De resterende moleculen zullen kouder zijn en de algehele temperatuur van het monster zal afnemen.

Het team kwam afgelopen herfst dicht bij het creëren van een moleculaire BEC in werk gepubliceerd in Natuurfysica Die de microgolfafschermingsmethode introduceerde. Maar er was nog een experimentele ontwikkeling nodig. Toen ze een tweede microgolfveld toevoegden, werd de koeling efficiënter en overschreed het cesiumnatrium uiteindelijk de BEC-drempel, een doel dat het laboratorium van Weill heeft bereikt sinds de opening in Columbia in 2018.

“Dit was een geweldige finale voor mij”, zegt Bigagli, die dit voorjaar promoveerde in de natuurkunde en medeoprichter was van het laboratorium. “We zijn van het ontbreken van een laboratorium naar deze verbazingwekkende resultaten gegaan.”

Naast het verminderen van botsingen, kan het tweede microgolfveld ook de oriëntatie van moleculen regelen. Dit is op zijn beurt een manier om te bepalen hoe ze met elkaar omgaan, wat het laboratorium momenteel onderzoekt. “Door deze dipoolinteracties te beheersen hopen we nieuwe kwantumtoestanden en fases van materie te creëren”, zegt Ian Stevenson, co-auteur en postdoctoraal onderzoeker aan Columbia University.

Er gaat een nieuwe wereld van de kwantumfysica open

Yi, een pionier op het gebied van ultrakoude wetenschap uit Boulder, beschouwt de resultaten als een prachtig stukje wetenschap. “Het werk zal belangrijke implicaties hebben voor een aantal wetenschappelijke velden, waaronder de studie van de kwantumchemie en de verkenning van sterk gekoppelde kwantummaterialen”, aldus hij. “Het experiment van Weill biedt nauwkeurige controle van moleculaire interacties om het systeem naar een gewenst resultaat te leiden, een opmerkelijke prestatie in de kwantumcontroletechnologie.”

Ondertussen is het Columbia-team verheugd dat een theoretische beschrijving van intermoleculaire interacties experimenteel gevalideerd is. “We hebben al een goed beeld van de interacties in dit systeem, wat ook cruciaal is voor volgende stappen, zoals het onderzoeken van de fysica van multipolaire lichamen”, aldus Kerman. “We bedachten schema’s om de reacties te controleren, testten ze theoretisch en implementeerden ze in experimenten. Het was echt een coole ervaring om deze ideeën over ‘microgolfbescherming’ in het laboratorium gerealiseerd te zien.”

Er zijn tientallen theoretische voorspellingen die nu experimenteel kunnen worden getest met behulp van moleculaire BEC’s, waarvan mede-eerste auteur en promovendus Siwei Zhang opmerkt dat ze vrij stabiel zijn. De meeste ultrakoude experimenten worden binnen één seconde uitgevoerd, sommige duren slechts enkele milliseconden, maar moleculaire BEC-reacties in het laboratorium duren meer dan twee seconden. “Dit zal ons in staat stellen open vragen in de kwantumfysica te onderzoeken”, zei hij.

Eén idee is om kunstmatige Bose-Einstein-kristallen te maken die gevangen zitten in een optisch rooster van lasers. Dit zou krachtige kwantumsimulaties mogelijk maken die interacties in natuurlijke kristallen nabootsen, merkte Weil op, en is een aandachtsgebied in de fysica van de gecondenseerde materie. Kwantumsimulatoren worden routinematig gemaakt met behulp van atomen, maar atomen hebben interacties op korte afstand – waarbij ze praktisch op elkaar moeten staan ​​– wat de mate beperkt waarin ze complexere materialen kunnen modelleren. “Moleculaire BEC zal meer smaak opleveren,” zei Weil.

Dit omvat dimensies, zei co-eerste auteur en promovendus Weijun Yuan. “We willen BEC’s graag gebruiken in een 2D-systeem. Als je van 3D naar 2D gaat, kun je altijd verwachten dat er nieuwe fysica zal ontstaan BEC’s zouden Weil en zijn collega’s hierbij kunnen helpen. Intensief onderzoek naar kwantumfenomenen, waaronder supergeleiding, superfluïditeit en meer.

“Het lijkt erop dat er een hele nieuwe wereld van mogelijkheden opengaat”, zei Will.

Referentie: “Observatie van Bose-Einstein-condensaten van dipooldeeltjes” door Niccolò Bigagli, Weijun Yuan, Siwei Zhang, Boris Bulatovic, Tess Carman, Ian Stevenson en Sebastian Weyl, 3 juni 2024, natuur.
doi: 10.1038/s41586-024-07492-z