Физики зафиксировали тысячи молекул в одном квантовом состоянии

Автором нового исследования, опубликованное в журнале Nature, похоже удалось решить одну из самых важных задач квантовой физики – они продемонстрировали как привести несколько молекул сразу в единое квантовое состояние. Напомню, что когда группа частиц, охлажденных до абсолютного нуля, разделяет единое квантовое состояние и вся группа начинает вести себя так, как если бы это был один атом, физики говорят о конденсате Бозе-Эйнштейна. Этого состояния, безусловно, достичь трудно, но когда это происходит, открывается целый мир новых возможностей. Ученые проделывали это с атомами на протяжении десятилетий, но проделай они то же самое с молекулами, сегодня мы, вероятно, обладали бы разными формами квантовых технологий. Но поскольку молекулы больше атомов и имеют гораздо больше движущихся частей, большинство попыток обуздать их не увенчались успехом. Впрочем, так было до конца апреля этого года – в ходе нового исследования команда физиков охладила атомы цезия, а затем ограничила молекулы таким образом, чтобы они находились на двумерной поверхности и могли двигаться только в двух направлениях. В результате получился набор практически идентичных молекул в едином квантовом состоянии.

Ух! Переда вами бозонный аналог перехода от конденсата Бозе-Эйнштейна к сверхтекучей жидкости Бардина-Купера-Шриффера в газе Ферми.

Что такое конденсат Бозе-Эйнштейна

Как известно, и свертекучесть, и сверхпроводимость – это результаты изменения в поведении скоплений квантовых частиц при низких температурах. Явление, связанное с этим, включает в себя создание совершенно нового состояния вещества. Помимо трех известных состояний вещества – жидкостей, газов и твердых тел существует четвертое – плазма. Она возникает при нагревании газа до температур, при которых атомы теряют электроны и превращаются в заряженные ионы. Ионы часто образуются в химических реакциях, например в той, где соль (хлорид натрия) растворяется в воде, производя ионы натрия и хлора, или в тех, при которых нагревается газ.

Интересно и то, что плазма является наиболее часто встречающимся веществом во Вселенной поскольку в основном из нее состоят звезды, которые составляют основную массу галактик (не считая темной материи). С плазмой мы сталкиваемся и в обычной жизни – когда смотрим на пламя или на типы телевизоров с плоским экраном. Но на холодном конце шкалы температур имеется пятое состояние вещества – конденсат Бозе-Эйнштейна.

Стандартная модель физики элементарных частиц разделяет частицы на две группы, которые не подчиняются принципу запрета: фермионы (электроны и кварки) и бозоны (фотоны). Бозоны обычно друг с другом не взаимодействуют и многие из них могут сосуществовать в одном квантовом состоянии.

Конденсат Бозе-Эйнштейна образуется, если охладить газ до почти абсолютного нуля.

В конденсате Бозе-Эйнштейна огромное число частиц связаны друг с другом таким образом, что эта связь позволяет им вести себя подобно одному большому бозону, наделяя вещество такими необычными свойствами, как способность захватывать свет. Название «бозе-эйнштейновский» отсылает к модели, используемой для описания коллективного поведения частиц – «бозе-эйнштейновской» статистике – одним из двух вариантов того, как могут вести себя квантовые частицы. Другой вариант – это статистика Ферми-Дирака.

Как зафиксировать молекулы в одном квантовом состоянии?

В ходе нового исследования, опубликованного в журнале Nature 28 апреля, команда ученых из Чикагского университета охладила атомы цезия почти до абсолютного нуля – в этом состоянии каждый атом стационарен, а все электроны находятся на нижнем уровне; теоретически это происходит при -273,15 градусах по Цельсию (0 градусов по шкале Кельвина). Это происходило в несколько этапов.

Первым было охлаждение всей системы до 10 нанокельвинов – на волосок выше абсолютного нуля. Затем они упаковали молекулы в ползучее пространство так, чтобы те были прижаты плашмя. «Как правило, молекулы хотят двигаться во всех направлениях, и если позволить им это, то они становятся менее стабильны. Мы ограничили молекулы таким образом, чтобы они находились на двумерной поверхности и могли двигаться только в двух направлениях», – пишут авторы исследования.

Проф. Чен Чин в лаборатории в Чикагском университете. Его лаборатория объявила о прорыве в приведении нескольких молекул в одно квантовое состояние. Это – одна из самых важных целей в квантовой физике.

В результате получился набор практически идентичных молекул — выстроенных в линию с абсолютно одинаковой ориентацией, одинаковой частотой колебаний и в одном и том же квантовом состоянии. Ученые описали этот молекулярный конденсат как чистый лист новой чертежной бумаги для квантовой инженерии.

«Это абсолютно идеальная отправная точка. Например, если вы хотите создать квантовые системы для хранения информации, вам нужно начать с чистого листа, прежде чем вы сможете отформатировать и сохранить эту информацию», – отметил ведущий автор исследования Чен Чин из Чикагского университета в интервью изданию Sciencealert.

Примечательно, что до сих пор ученым удавалось связать вместе до нескольких тысяч молекул в таком состоянии и они только начинают исследовать его потенциал. Как объясняют авторы научной работы, в традиционном понимании химии мы обычно думаем о том, что несколько атомов и молекул сталкиваются и образуют новую молекулу. Но в квантовом состоянии все молекулы действуют вместе, проявляя коллективное поведение. Это открывает совершенно новый способ изучения того, как молекулы могут взаимодействовать друг с другом, чтобы превратиться в молекулы нового типа.

Результаты работы, как надеются ее авторы, в будущем могут лечь в основу форм квантовых технологий. Помимо прочего, благодаря своей богатой энергетической структуре холодные молекулы могут способствовать прогрессу в квантовой инженерии и квантовой химии. В общем, на лицо все свидетельства того, что в скором времени нас ожидаем много удивительных открытий.

hi-news

Опубликовано на сайте: 2021-05-23