Gas molekul yang paling sejuk di dunia dijana

Penyelidik menyejukkan molekul kalium-rubidium ke 50 nanokelvin untuk kali pertama

Penyelidik telah menghasilkan gas kuantum terkecil daripada molekul kalium rubidium. © Steven Burrows / JILA
membaca dengan kuat

Rekod ultra sejuk: penyelidik buat kali pertama berjaya menyejukkan awan molekul kepada hanya 50 bilion daripada Kelvin di atas sifar mutlak. Setakat ini hanya dicapai dengan atom tunggal. Penyejuk menyebabkan kira-kira 25, 000 molekul rubidium kalium untuk mencapai keadaan di mana kesan kuantum menguasai kelakuan mereka - ahli fizik bercakap mengenai "gas kuantum yang merosot".

Apabila atom atau molekul disejukkan ke suhu yang sangat rendah, mereka mula menunjukkan kelakuan eksotik. Daripada fizik klasik, kesan kuantum kini menguasai. Sebagai hasilnya, sebagai contoh, helium menjadi cecair tanpa sebarang daya tahan dan atom menjadi kondensat Bose-Einstein - mereka secara kolektif bertindak balas seperti atom gergasi tunggal. Bahkan zarah-zarah cahaya boleh dibawa dalam awan atom ultra-sejuk seperti semacam mengikat.

Tetapi apa yang hampir berjaya dengan atom adalah lebih sukar dengan molekul. "Tahap kebebasan tambahan dalam putaran dan getaran menjadikan molekul jauh lebih rumit dan menyejukkan mereka kepada suhu ultra dingin yang menjadi cabaran sebenar, " kata Jun Ye dari Institut Teknologi dan Teknologi Kebangsaan (NIST) Boulder dan pasukannya. Setakat ini saintis dapat menyejukkan seratus hingga seribu molekul menjadi 250 hingga 600 nanokelvin.

Awan atom dimanipulasi dengan medan magnet dan laser

Sekarang, bagaimanapun, Ye dan pasukannya telah mengalahkan rekod itu berkali-kali. Untuk eksperimen mereka, para penyelidik mengumpul kira-kira satu bilion atom rubidium dan 70 juta atom kalium dalam perangkap magneto-optik. Awan atom yang dibetulkan oleh medan laser dan magnet telah disejukkan ke atas sifar mutlak oleh penyejukan laser. Para penyelidik kemudian mengetuk awan-awan atom ini dengan medan magnet yang menyebabkan atom membentuk molekul terikat lemah satu potassium dan satu atom rubidium.

Kemudian langkah penting diikuti: molekul terikat yang lemah diiradi dengan dua laser yang frekuensi menghasilkan resonans dengan dua melompat tenaga dalam molekul. Ini membawa molekul ke dalam ikatan yang lebih dekat dan ke dalam keadaan tanah - keadaan tenaga terendah. Akibatnya, Ye dan pasukannya dapat menyejukkan buat kali pertama sebilangan besar molekul ke beberapa billionths daripada Kelvin di atas sifar mutlak. paparan

Gas kuantum yang merosot

Hasilnya ialah gas dengan sekitar 25, 000 molekul rubidium kalium disejukkan ke hanya 50 nanokelvin. Oleh itu, molekul-molekul tersebut dalam keadaan di mana ia lebih dipengaruhi oleh kesan kuantum daripada peraturan klasik kimia atau fizik. Seperti yang dilaporkan penyelidik, suhu awan molekul adalah 0.3 kali lebih rendah daripada suhu Fermi yang dipanggil sempadan yang mana kesan kuantum menguasai.

Akibatnya, molekul ultracold "merosot": mereka tetap jauh lebih besar daripada biasa dan keadaan kuantum mereka juga berubah. "Ini adalah gas kuantum yang pertama dari jisim molekul yang stabil, " kata Ye. "Kami melihat bahawa tindak balas kimia ditindas ini adalah hasil yang tidak diharapkan seseorang."

Wawasan yang berharga dan aplikasi yang mungkin

Pengeluaran gas molekul ultra-sejuk ini bukan sahaja rekod baru, ia juga dapat memberikan wawasan penting ke dalam proses kimia-fizikal dan kelakuan molekul, para penyelidik menjelaskan. Hakikat bahawa molekul potassium-rubidium adalah polar memungkinkan untuk mengawalnya dengan baik di negeri ultracold. Sebabnya: Oleh kerana caj separa terbentuk dalam molekul ini, mereka bertindak balas terhadap medan elektrik.

Di masa depan, gas molekul ultracold ini juga boleh membolehkan aplikasi baru, seperti alat pengukur molekul baru atau jenis bit kuantum baru untuk komputer kuantum masa depan. (Sains, 2019; doi: 10.1126 / science.aau7230)

Sumber: Institut Standard dan Teknologi Kebangsaan (NIST)

- Nadja Podbregar