Superpartikel atom kuaterner pertama dicapai pada suhu nanokelvin

Sebuah tim eksperimentalis di Max Planck Institute for Quantum Optics (MPQ) dan ahli teori di Chinese Academy of Sciences (CAS) untuk pertama kalinya berhasil menerapkan dan menstabilkan jenis partikel baru, yang disebut partikel tetraatomik terikat medan. . “Supermolekul” ini sangat rapuh sehingga hanya dapat hidup pada suhu yang sangat dingin. Keberadaannya sudah lama diduga, namun belum dibuktikan secara eksperimental.

Molekul poliatomik yang dibuat dalam penelitian baru ini terdiri dari lebih dari dua atom dan berhasil didinginkan hingga 134 nanokelvin, 3.000 kali lebih dingin dari suhu molekul tetraatomik yang dibuat sebelumnya. Pencapaian ini bukan hanya merupakan terobosan baru dalam fisika molekuler, tetapi juga merupakan langkah maju yang penting dalam studi materi ultradingin yang eksotik. Pencarian adalah diterbitkan di dalam alam.

Sekitar dua dekade yang lalu, fisikawan teoretis Amerika John Boone dan rekan-rekannya meramalkan jenis hubungan baru antara molekul-molekul polar: Jika molekul membawa muatan yang terdistribusi secara asimetris – yang oleh para fisikawan disebut polaritas – mereka dapat berfusi dalam medan listrik untuk membentuk “superpartikel” yang terikat lemah. ”

Perilaku molekul polar ini dapat diibaratkan seperti jarum kompas di dalam cangkang padat. Ketika didekatkan, jarum kompas mengalami gravitasi yang lebih kuat daripada medan magnet bumi, dan mengarah satu sama lain, bukan ke utara.

Fenomena serupa dapat diamati pada molekul polar, yang, dalam kondisi tertentu, dapat membentuk keadaan pengikatan unik melalui gaya listrik. Ikatan mereka agak mengingatkan pada pasangan penari yang berpelukan erat sambil terus menjaga jarak tertentu.

Keadaan ikatan supermolekul jauh lebih lemah dibandingkan ikatan kimia pada umumnya, namun pada saat yang sama juga lebih tahan lama. Supermolekul berbagi panjang ikatan dalam jarak beberapa ratus kali lebih panjang dibandingkan molekul yang terikat secara normal.

Karena sifatnya yang berjarak jauh, superpartikel ini sangat sensitif: jika parameter medan listrik diubah sedikit pada nilai kritis, gaya antarmolekul akan berubah secara dramatis – sebuah fenomena yang disebut sebagai “resonansi terkait medan”. “Hal ini memungkinkan para peneliti untuk secara fleksibel mengubah bentuk dan ukuran molekul menggunakan medan gelombang mikro.

Permainan dalam tiga bagian: dari molekul diatomik ke molekul tetraatomik

Molekul poliatomik ultradingin memiliki struktur internal yang kaya yang memberikan kemungkinan baru yang menarik dalam kimia dingin, pengukuran presisi, dan pemrosesan informasi kuantum. Namun, kompleksitasnya yang tinggi dibandingkan dengan molekul diatomik menimbulkan tantangan besar dalam penggunaan teknik pendinginan konvensional seperti pendinginan laser langsung dan pendinginan evaporatif.

Para peneliti di “Laboratorium NaK” (Laboratorium Natrium Kalium) di MPQ, dipimpin oleh Dr. Shen-Yu Luo, Dr. Timon Hilker dan Profesor Emmanuel Bloch, telah mencapai serangkaian penelitian perintis dan inovatif. alam-Penemuan yang diterbitkan dalam beberapa tahun terakhir, yang sangat penting untuk mengatasi tantangan ini.

Pertama, pada tahun 2021, para peneliti di laboratorium ini menemukan teknik pendinginan baru untuk molekul polar menggunakan medan gelombang mikro berputar berenergi tinggi, sehingga mencetak rekor suhu rendah baru: 21 miliar derajat di atas nol mutlak pada minus 273,15 derajat Celcius.

Setahun kemudian, para peneliti berhasil menciptakan kondisi yang diperlukan untuk mengamati tanda pengikatan antara molekul-molekul ini dalam percobaan hamburan untuk pertama kalinya. Hal ini memberikan bukti tidak langsung pertama mengenai keberadaan struktur aneh yang telah lama diprediksi secara teoritis.

Kini, terdapat bukti langsung bahwa para peneliti mampu menciptakan dan menstabilkan supermolekul ini dalam eksperimen mereka. Pencitraan “superpartikel” ini mengungkapkan simetri gelombang p mereka, sebuah fitur unik yang sangat penting untuk mewujudkan material kuantum topologi, yang pada gilirannya mungkin relevan untuk komputasi kuantum yang toleran terhadap kesalahan.

“Penelitian ini akan mempunyai implikasi langsung dan luas,” kata Xingyan Chen, Ph.D. kandidat dan penulis pertama makalah ini. “Karena metode ini dapat diterapkan pada berbagai spesies molekuler, metode ini memungkinkan eksplorasi molekul poliatomik ultradingin dalam rentang yang jauh lebih besar. Di masa depan, metode ini memungkinkan terciptanya molekul yang lebih besar dan berumur lebih panjang yang akan sangat menarik dalam penelitian ini.” istilah presisi.” Pengukuran Sains atau kimia kuantum.”

“Kami mencapai hasil ini juga berkat kerja sama erat kami dengan Profesor Tao Shi dan timnya dari Akademi Ilmu Pengetahuan Tiongkok,” tambah Dr. Luo, peneliti utama uji coba tersebut. “Tujuan kami berikutnya adalah untuk lebih mendinginkan 'superpartikel' bosonik ini untuk membentuk kondensat Bose-Einstein (BEC), di mana partikel-partikel tersebut bergerak bersama secara kolektif. Kemungkinan ini memiliki potensi penting bagi pemahaman mendasar kita tentang fisika kuantum. Yang paling mengejutkan adalah dengan hanya “Dengan menyesuaikan medan gelombang mikro, BEC 'superpartikel' dapat berubah menjadi cairan kuantum baru partikel fermionik yang mempertahankan simetri gelombang p khusus mereka.”