В Колумбии возникла уникальная квантовая ситуация

Физики в Колумбийский университет Они довели молекулы до нового, ультрахолодного предела и создали состояние материи, в котором господствует квантовая механика.

В городе появился новый интересный BEC, который не имеет ничего общего с беконом, яйцами и сыром. Вы найдете его не в местном универмаге, а в самом холодном месте Нью-Йорка: в лаборатории физика Себастьяна Вейля из Колумбийского университета, чья экспериментальная группа специализируется на доведении атомов и молекул до температур всего на доли градуса выше. Абсолютный ноль.

Написать в природаЛаборатории Уилла при поддержке научного сотрудника Тийса Кармана из Университета Радбауд в Нидерландах удалось создать из молекул уникальное квантовое состояние, называемое бозе-эйнштейновским конденсатом (БЭК).

Прорыв в области бозе-эйнштейновских конденсатов

Их БЭК охлаждается всего до пяти нанокельвинов, или около -459,66 градусов по Фаренгейту, стабилен в течение удивительно долгих двух секунд и состоит из молекул натрия и цезия. Как и молекулы воды, эти молекулы полярны, то есть несут как положительный, так и отрицательный заряд. Вейль отметил, что несбалансированное распределение электрического заряда способствует дальнодействующим взаимодействиям, которые составляют наиболее интересную физику.

Исследование, которое Лаборатория Вейля с радостью проводит с помощью Bose-Einstein Molecular, включает в себя изучение ряда различных квантовых явлений, включая новые типы сверхтекучести — состояния материи, которая течет, не испытывая никакого трения. Они также надеются превратить свои модели Бозе-Эйнштейна в симуляторы, которые смогут воссоздать загадочные квантовые свойства более сложных материалов, таких как твердые кристаллы.

С помощью микроволн физики Колумбийского университета создали конденсат Бозе-Эйнштейна — уникальное состояние вещества из молекул натрия и цезия. Изображение предоставлено: Well Lab, Колумбийский университет/Майлз Маршалл

«Молекулярные конденсаты Бозе-Эйнштейна открывают совершенно новые области исследований: от истинного понимания фундаментальной физики до разработки мощных квантовых моделей», — сказал он. «Это захватывающее достижение, но на самом деле это только начало».

Это сбывшаяся мечта для Weill Lab и десятилетия для более широкого исследовательского сообщества, занимающегося изучением ультрахолода.

Ультрахолодные молекулы: столетие в пути

Наука о БЭК началась сто лет назад, когда ее основали физики Сатьендра Нат Бозе и Альберт Эйнштейн. В серии статей, опубликованных в 1924 и 1925 годах, они предсказали, что совокупность частиц, охлажденных почти до состояния покоя, объединится в один более крупный атом с общими свойствами и поведением, диктуемыми законами квантовой механики. Если бы БЭК могли быть созданы, они предоставили бы исследователям привлекательную платформу для изучения квантовой механики в более доступном масштабе, чем отдельные атомы или молекулы.

Прошло около 70 лет с момента этих первых теоретических предсказаний, но первые атомные БЭК были созданы в 1995 году. Это достижение было отмечено Нобелевской премией по физике в 2001 году, примерно в то время, когда Вейль начал заниматься физикой в ​​Университете Майнца. В Германии. В настоящее время в лабораториях регулярно производятся атомы Бозе-Эйнштейна из нескольких различных типов атомов. Эти БЭК расширили наше понимание таких концепций, как волновая природа материи и сверхтекучих жидкостей, и привели к развитию таких технологий, как квантовые газовые микроскопы и квантовые симуляторы, и это лишь некоторые из них.

Слева направо: младший научный сотрудник Ян Стивенсон; аспирант Никколо Бигальи; аспирант Вейцзюнь Юань; Студент университета Борис Булатович; докторант Сивэй Чжан; и ведущий исследователь Себастьян Вейль. Не показано: Тейце Керман. Кредит: Колумбийский университет.

Но атомы, по большому счету, относительно просты. Это круглые объекты и обычно не содержат взаимодействий, которые могли бы возникнуть из-за полярности. С тех пор как были получены первые атомные БЭК, ученые хотели создать более сложные версии молекул. Но даже простые двухатомные молекулы, состоящие из двух связанных вместе атомов разных элементов, оказалось трудно охладить ниже температуры, необходимой для формирования правильного БЭК.

Первый прорыв произошел в 2008 году, когда Дебора Джин и Джун Йи, физики из Института Гила в Боулдере, штат Колорадо, охладили газ из молекул калия и рубидия примерно до 350 нанокельвинов. Такие ультрахолодные молекулы в последние годы оказались полезными для проведения квантового моделирования, изучения молекулярных столкновений и квантовой химии, но для того, чтобы преодолеть порог БЭК, были необходимы более низкие температуры.

В 2023 году он создал Will’s Lab. Первый чрезвычайно холодный газ молекулы, которую они выбрали, натрия и цезия, используя комбинацию лазерного охлаждения и магнитных манипуляций, аналогично подходу Цзинь Вэя. Чтобы было прохладнее, привезли микроволновки.

Инновации с микроволновой печью

Микроволны являются формой электромагнитного излучения и имеют долгую историю в Колумбии. В 1930-х годах физик Исидор Исаак Раби, который позже получил Нобелевскую премию по физике, провёл новаторскую работу в области микроволн, которая привела к разработке бортовых радиолокационных систем. «Рабе был одним из первых, кто освоил квантовые состояния молекул, и был пионером в области микроволновых исследований», — сказал Вейль. «Наш бизнес следует этой 90-летней традиции».

Хотя вы, возможно, знакомы с ролью микроволн в разогреве пищи, оказывается, что они также могут облегчить процесс охлаждения. Отдельные молекулы имеют тенденцию сталкиваться друг с другом и в результате образовывать более крупные комплексы, которые исчезают из образцов. Микроволны могут создавать крошечные щиты вокруг каждой молекулы, предотвращая их столкновения. Эту идею предложил Карман, их коллега из Нидерландов. Поскольку молекулы защищены от пропущенных столкновений, из образца можно предпочтительно удалить только самые горячие молекулы. Это тот же физический принцип, который охлаждает вашу кофейную чашку, когда вы дуете на нее, — объясняет автор Никколо Бигагли. Оставшиеся молекулы будут холоднее, и общая температура образца снизится.

Осенью прошлого года команда подошла близко к созданию молекулярного БЭК в работе, опубликованной в журнале Физика природы Который представил метод микроволнового экранирования. Но требовалась еще одна экспериментальная разработка. Когда они добавили второе микроволновое поле, охлаждение стало более эффективным, и цезий-натрий, наконец, преодолел порог BEC — цель, которую лаборатория Вейла достигла с момента открытия в Колумбии в 2018 году.

«Для меня это был отличный финал», — сказал Бигагли, который этой весной получил степень доктора физики и был одним из основателей лаборатории. «Мы прошли путь от отсутствия лаборатории до этих удивительных результатов».

Помимо уменьшения столкновений, второе микроволновое поле может также контролировать ориентацию молекул. Это, в свою очередь, способ контролировать их взаимодействие, который в настоящее время изучает лаборатория. «Управляя этими дипольными взаимодействиями, мы надеемся создать новые квантовые состояния и фазы материи», — сказал Ян Стивенсон, соавтор и научный сотрудник Колумбийского университета.

Открывается новый мир квантовой физики

Йи, пионер науки об ультрахолоде из Боулдера, считает результаты прекрасным научным достижением. «Эта работа будет иметь важные последствия для ряда научных областей, включая изучение квантовой химии и исследование сильносвязанных квантовых материалов», — прокомментировал он. «Эксперимент Вейля предполагает точный контроль молекулярных взаимодействий, чтобы направить систему к желаемому результату, что является выдающимся достижением в технологии квантового контроля».

Между тем, команда Колумбийского университета очень рада получить экспериментальное подтверждение теоретического описания межмолекулярных взаимодействий. «У нас уже есть хорошее представление о взаимодействиях в этой системе, что также имеет решающее значение для следующих шагов, таких как изучение физики многополярных тел», — сказал Керман. «Мы придумали схемы управления реакциями, проверили их теоретически и реализовали в эксперименте. Было действительно здорово увидеть, как идеи микроволновой «защиты» реализуются в лаборатории».

Существуют десятки теоретических предсказаний, которые теперь можно проверить экспериментально с использованием молекулярных БЭК, которые, как указывает соавтор и докторант Сивэй Чжан, вполне стабильны. Большинство ультрахолодных экспериментов выполняются в течение одной секунды, некоторые — всего в несколько миллисекунд, но молекулярные реакции БЭК в лаборатории длятся более двух секунд. «Это позволит нам исследовать открытые вопросы квантовой физики», — сказал он.

Одна из идей — создать искусственные кристаллы Бозе-Эйнштейна, заключенные в оптическую решетку из лазеров. По словам Вейля, это позволит проводить мощное квантовое моделирование, имитирующее взаимодействия в природных кристаллах, и является основной областью физики конденсированного состояния. Квантовые симуляторы обычно создаются с использованием атомов, но у атомов есть короткодействующие взаимодействия — где они практически должны находиться друг над другом — что ограничивает степень, в которой они могут моделировать более сложные материалы. «Молекулярный BEC обеспечит больше вкуса», — сказал Вейл.

«Это включает в себя измерения», — сказал соавтор и докторант Вэйцзюнь Юань. «Мы хотели бы использовать БЭК в 2D-системе. Когда вы переходите от 3D к 2D, вы всегда можете ожидать появления новой физики. 2D-материалы являются основной областью исследований в Колумбийском университете, где модельная система состоит из молекул. БЭК могли бы помочь Вейлю и его коллегам в интенсивном исследовании квантовых явлений, включая сверхпроводимость, сверхтекучесть и многое другое.

«Кажется, что открывается целый новый мир возможностей», — сказал Уилл.

Ссылка: «Наблюдение бозе-эйнштейновских конденсатов дипольных частиц» Никколо Бигагли, Вэйджун Юань, Сивэй Чжан, Борис Булатович, Тесс Карман, Ян Стивенсон и Себастьян Вейль, 3 июня 2024 г., природа.
doi: 10.1038/s41586-024-07492-z