Kolombiya’da maddenin benzersiz bir kuantum durumu ortaya çıkıyor

Fizikçiler Kolombiya Üniversitesi Molekülleri yeni, aşırı soğuk bir uç noktaya taşıdılar ve kuantum mekaniğinin üstün olduğu bir madde durumu yarattılar.

Kasabada pastırma, yumurta ve peynirle hiçbir ilgisi olmayan heyecan verici yeni bir BEC var. Bunu yerel mağazanızda değil, New York’un en soğuk yerinde bulabilirsiniz: Columbia Üniversitesi’nden fizikçi Sebastian Weyl’in laboratuvarında, deney grubu atomları ve molekülleri bir derecenin sadece kesirleri kadar yüksek sıcaklıklara itme konusunda uzmanlaşmıştır. Tamamen sıfır.

Yazmak doğaWeyl Laboratuvarı, Hollanda’daki Radboud Üniversitesi’ndeki teorik işbirlikçi Tijs Karman’ın desteğiyle, moleküllerden Bose-Einstein yoğunlaşması (BEC) adı verilen maddenin benzersiz bir kuantum durumunu yaratmayı başardı.

Bose-Einstein yoğunlaşmalarında atılım

BEC’leri yalnızca beş nanokelvin’e veya yaklaşık -459,66 Fahrenheit dereceye kadar soğutulur, oldukça uzun bir iki saniye boyunca stabildir ve sodyum ve sezyum moleküllerinden oluşur. Su molekülleri gibi bu moleküller de polardır, yani hem pozitif hem de negatif yük taşırlar. Weil, elektrik yükünün dengesiz dağılımının, en ilginç fiziği oluşturan uzun menzilli etkileşimleri kolaylaştırdığını belirtti.

Weill Laboratuvarı’nın Bose-Einstein Molecular ile sürdürmekten heyecan duyduğu araştırma, maddenin herhangi bir sürtünme yaşamadan akan bir durumu olan süperakışkanlığın yeni türleri de dahil olmak üzere bir dizi farklı kuantum olgusunu keşfetmeyi içeriyor. Ayrıca Bose-Einstein’larını katı kristaller gibi daha karmaşık malzemelerin esrarengiz kuantum özelliklerini yeniden yaratabilecek simülatörlere dönüştürmeyi umuyorlar.

Columbia’lı fizikçiler mikrodalgaların yardımıyla sodyum ve sezyum moleküllerinden maddenin benzersiz bir hali olan Bose-Einstein yoğunlaşmasını yarattılar. İmaj kredisi: Well Lab, Columbia Üniversitesi/Miles Marshall

“Moleküler Bose-Einstein yoğunlaşmaları, temel fiziği gerçekten anlamaktan güçlü kuantum simülasyonları geliştirmeye kadar tamamen yeni araştırma alanları açıyor” dedi. “Bu heyecan verici bir başarı, ama aslında sadece başlangıç.”

Bu, Weill Lab için bir hayalin gerçekleşmesidir ve daha büyük ultrasoğuk araştırma topluluğu için on yıllardır yapım aşamasındadır.

Ultra soğuk moleküller, bir asırdır yapım aşamasında

BEC’lerin bilimi, fizikçiler Satyendra Nath Bose ve Albert Einstein’a kadar bir yüzyıl öncesine dayanıyor. 1924 ve 1925’te yayınlanan bir dizi makalede, neredeyse durma noktasına kadar soğuyan bir parçacık topluluğunun, kuantum mekaniği yasalarının belirlediği ortak özelliklere ve davranışlara sahip tek, daha büyük bir atom halinde birleşeceğini öngördüler. Eğer BEC’ler oluşturulabilseydi, araştırmacılara kuantum mekaniğini bireysel atom veya moleküllerden daha erişilebilir bir ölçekte keşfetmek için çekici bir platform sağlayacaklardı.

Bu ilk teorik tahminlerden bu yana yaklaşık 70 yıl geçti, ancak ilk atomik BEC’ler 1995’te oluşturuldu. Bu başarı, Weyl’in Mainz Üniversitesi’nde fiziğe başladığı 2001 yılında Nobel Fizik Ödülü ile tanındı. Almanyada. Laboratuvarlar artık rutin olarak birkaç farklı atom türünden Bose-Einstein atomları üretiyor. Bu BEC’ler, maddenin dalga doğası ve süperakışkanlar gibi kavramlara ilişkin anlayışımızı genişletti ve birkaçını saymak gerekirse kuantum gaz mikroskopları ve kuantum simülatörleri gibi teknolojilerin geliştirilmesine yol açtı.

Soldan sağa: Yardımcı Araştırma Bilimcisi Ian Stevenson; Doktora öğrencisi Niccolò Bigagli; Doktora öğrencisi Weijun Yuan; Üniversite öğrencisi Boris Bulatovich; doktora öğrencisi Siwei Zhang; ve baş araştırmacı Sebastian Weil. Gösterilmeyen: Tejce Kerman. Kredi bilgileri: Columbia Üniversitesi

Ancak genel şemaya göre atomlar nispeten basittir. Yuvarlak nesnelerdir ve genellikle polariteden kaynaklanabilecek etkileşimleri içermezler. İlk atomik BEC’lerin elde edilmesinden bu yana, bilim adamları moleküllerden yapılmış daha karmaşık versiyonlar yaratmak istediler. Ancak birbirine bağlı iki farklı element atomundan oluşan basit diatomik moleküllerin bile uygun bir BEC oluşturmak için gereken sıcaklığın altına soğutulmasının zor olduğu kanıtlanmıştır.

İlk atılım 2008 yılında Boulder, Colorado’daki Gila Enstitüsü’nden fizikçiler Deborah Jin ve Jun Yi’nin potasyum ve rubidyum moleküllerinden oluşan bir gazı yaklaşık 350 nanokelvin’e soğutmasıyla gerçekleşti. Bu tür aşırı soğuk moleküllerin son yıllarda kuantum simülasyonları gerçekleştirmek, moleküler çarpışmalar ve kuantum kimyası üzerinde çalışmak için yararlı olduğu kanıtlandı, ancak BEC eşiğini geçmek için daha düşük sıcaklıklara ihtiyaç vardı.

2023’te Will’in Laboratuvarı’nı kurdu İlk aşırı soğuk gaz Jin Wei’nin yaklaşımına benzer şekilde, lazer soğutma ve manyetik manipülasyonun bir kombinasyonunu kullanarak seçtikleri molekülü (sodyum ve sezyum) kullandılar. Daha serin olsun diye mikrodalga fırın getirdiler.

Mikrodalgadaki yenilikler

Mikrodalgalar bir tür elektromanyetik radyasyondur ve Kolombiya’da uzun bir geçmişi vardır. 1930’larda, daha sonra Nobel Fizik Ödülü’nü kazanan fizikçi Isidore Isaac Rabi, mikrodalgalarla ilgili öncü çalışmalar yaparak havadan radar sistemlerinin geliştirilmesine yol açtı. Weil, “Rabe, moleküllerin kuantum durumlarına hakim olan ilk kişilerden biriydi ve mikrodalga araştırmalarında öncüydü” dedi. “İşletmemiz bu 90 yıllık geleneği takip ediyor.”

Mikrodalgaların yemeğinizi ısıtmadaki rolüne aşina olsanız da, soğutma işlemini de kolaylaştırabilecekleri ortaya çıktı. Bireysel moleküller birbirleriyle çarpışma eğilimindedir ve sonuç olarak numunelerden kaybolan daha büyük kompleksler oluşturur. Mikrodalgalar, her molekülün etrafında küçük kalkanlar oluşturarak çarpışmalarını önleyebilir; bu fikir, Hollanda’daki meslektaşları Karman tarafından öne sürüldü. Yazar Niccolò Bigagli, kaçırılan çarpışmalara karşı korunan moleküller sayesinde, örnekten tercihen yalnızca en sıcak moleküllerin uzaklaştırılabileceğini, bunun da kahve fincanınızın üstüne üflediğinizde soğuyan fiziksel prensiple aynı olduğunu açıklıyor. Geriye kalan moleküller daha soğuk olacak ve numunenin genel sıcaklığı azalacaktır.

Ekip geçen sonbaharda yayınlanan çalışmada moleküler bir BEC oluşturmaya yaklaştı. Doğa fiziği Bu da mikrodalga koruma yöntemini tanıttı. Ancak başka bir deneysel gelişmeye ihtiyaç vardı. İkinci bir mikrodalga alanı eklediklerinde soğutma daha verimli hale geldi ve sezyum sodyum nihayet BEC eşiğini geçti; Weill’in laboratuvarı 2018’de Columbia’da açıldığından bu yana bu hedefe ulaştı.

Bu bahar fizik alanında doktora derecesiyle mezun olan ve laboratuvarın kurucu üyelerinden biri olan Bigagli, “Bu benim için harika bir finaldi” dedi. “Henüz bir laboratuvara sahip olmadığımız dönemden bu muhteşem sonuçlara ulaştık.”

Çarpışmaları azaltmanın yanı sıra, ikinci mikrodalga alanı aynı zamanda moleküllerin yönelimini de kontrol edebilir. Bu da, laboratuvarın şu anda araştırdığı gibi, etkileşimlerini kontrol etmenin bir yoludur. Columbia Üniversitesi’nde ortak yazar ve doktora sonrası araştırmacı olan Ian Stevenson, “Bu dipol etkileşimlerini kontrol ederek, yeni kuantum durumları ve maddenin evreleri yaratmayı umuyoruz” dedi.

Kuantum fiziğinin yeni bir dünyası açılıyor

Boulder merkezli ultra soğuk biliminin öncüsü Yi, sonuçların güzel bir bilim eseri olduğunu düşünüyor. “Çalışmanın kuantum kimyası çalışmaları ve güçlü bir şekilde birleştirilmiş kuantum malzemelerinin araştırılması da dahil olmak üzere bir dizi bilimsel alan için önemli sonuçları olacak” yorumunu yaptı. “Weill’ın deneyi, sistemi istenen sonuca doğru yönlendirmek için moleküler etkileşimlerin hassas kontrolünü içeriyor; kuantum kontrol teknolojisinde dikkate değer bir başarı.”

Bu arada Columbia ekibi, deneysel olarak doğrulanmış moleküller arası etkileşimlerin teorik bir açıklamasına sahip olmaktan heyecan duyuyor. Kerman, “Bu sistemdeki etkileşimler hakkında zaten iyi bir fikrimiz var ve bu, çok kutuplu cisimlerin fiziğini keşfetmek gibi sonraki adımlar için de çok önemli” dedi. “Reaksiyonları kontrol etmek için planlar geliştirdik, bunları teorik olarak test ettik ve deneylerde uyguladık. Bu mikrodalga ‘koruma’ fikirlerinin laboratuvarda hayata geçirildiğini görmek gerçekten harika bir deneyimdi.”

Artık moleküler BEC’ler kullanılarak deneysel olarak test edilebilecek düzinelerce teorik tahmin var; ortak yazar ve doktora öğrencisi Siwei Zhang, bunların oldukça kararlı olduğuna dikkat çekiyor. Ultrasoğuk deneylerin çoğu bir saniye içinde gerçekleştirilir, bazıları birkaç milisaniye kadar kısadır, ancak laboratuvardaki BEC moleküler reaksiyonları iki saniyeden fazla sürer. “Bu, kuantum fiziğindeki açık soruları araştırmamıza olanak tanıyacak” dedi.

Fikirlerden biri, lazerlerden oluşan optik bir kafesin içine hapsolmuş yapay Bose-Einstein kristalleri yaratmak. Weil, bunun doğal kristallerdeki etkileşimleri taklit eden güçlü kuantum simülasyonlarına olanak sağlayacağını ve yoğun madde fiziğinin odak alanı olduğunu belirtti. Kuantum simülatörleri rutin olarak atomlar kullanılarak yapılır, ancak atomların kısa menzilli etkileşimleri vardır (burada pratik olarak üst üste olmaları gerekir), bu da onların daha karmaşık malzemeleri modelleme kapsamını sınırlar. Weil, “Moleküler BEC daha fazla lezzet sunacak” dedi.

Birinci yazar ve doktora öğrencisi Weijun Yuan, bunun boyutları da içerdiğini söyledi. “BEC’leri 2 boyutlu bir sistemde kullanmak istiyoruz. 3 boyutludan 2 boyutluya geçtiğinizde, her zaman yeni fiziğin ortaya çıkmasını bekleyebilirsiniz. 2 boyutlu malzemeler, moleküler bir model sistemine sahip olan önemli bir araştırma alanıdır; BEC’ler Weil ve meslektaşlarına süperiletkenlik, süperakışkanlık ve daha fazlasını içeren kuantum olaylarının araştırılması konusunda yoğun bir şekilde yardımcı olabilir.

Will, “Yepyeni bir olasılıklar dünyası açılıyor gibi görünüyor” dedi.

Referans: Niccolò Bigagli, Weijun Yuan, Siwei Zhang, Boris Bulatovic, Tess Carman, Ian Stevenson ve Sebastian Weyl tarafından yazılan “Bose-Einstein dipol parçacıklarının yoğunlaşmasının gözlemlenmesi”, 3 Haziran 2024, doğa.
doi: 10.1038/s41586-024-07492-z