I ricercatori della JILA hanno realizzato un longevo, gas da record di molecole che seguono i modelli ondulatori della meccanica quantistica invece della natura strettamente particellare della fisica classica ordinaria. La creazione di questo gas aumenta le probabilità di progressi in campi come la chimica dei designer e l'informatica quantistica.

Come descritto sulla copertina del numero del 22 febbraio di Scienza , il team ha prodotto un gas di molecole di potassio-rubidio (KRb) a temperature fino a 50 nanokelvin (nK). Sono 50 miliardesimi di Kelvin, o solo una sfumatura sopra lo zero assoluto, la temperatura più bassa teoricamente possibile. Le molecole sono negli stati energetici più bassi possibili, che costituisce il cosiddetto gas di Fermi degenere.

In un gas quantistico, tutte le proprietà delle molecole sono limitate a valori specifici, o quantizzato, come pioli su una scala o note su una scala musicale. Raffreddare il gas alle temperature più basse offre ai ricercatori il massimo controllo sulle molecole. I due atomi coinvolti appartengono a classi diverse:il potassio è un fermione (con un numero dispari di componenti subatomiche chiamate protoni e neutroni) e il rubidio è un bosone (con un numero pari di componenti subatomiche). Le molecole risultanti hanno un carattere di Fermi.

JILA è gestita congiuntamente dal National Institute of Standards and Technology (NIST) e dall'Università del Colorado Boulder. I ricercatori del NIST di JILA lavorano da anni per comprendere e controllare le molecole ultrafredde, che sono più complessi degli atomi perché non solo hanno molti livelli energetici interni, ma ruotano e vibrano anche. Il team JILA ha prodotto il suo primo gas molecolare 10 anni fa.

"Le tecniche di base per produrre il gas sono le stesse che abbiamo usato prima, ma abbiamo alcuni nuovi trucchi come migliorare significativamente il raffreddamento degli atomi, creandone di più nello stato di energia più bassa, " Jun Ye, membro del NIST/JILA, ha affermato. "Ciò si traduce in una maggiore efficienza di conversione in modo da ottenere più molecole".

Il team JILA ha prodotto 100, 000 molecole a 250 nK e fino a 25, 000 molecole a 50 nK.

Prima di adesso, le molecole a due atomi più fredde sono state prodotte in numero massimo di decine di migliaia ea temperature non inferiori a poche centinaia di nanoKelvin. L'ultimo record della temperatura del gas di JILA è molto inferiore (circa un terzo) al livello in cui gli effetti quantistici iniziano a prendere il sopravvento sugli effetti classici, e le molecole durano pochi secondi:notevole longevità, Hai detto.

Il nuovo gas è il primo a diventare abbastanza freddo e denso da far sì che le onde di materia di queste molecole siano più lunghe delle distanze tra di loro, facendoli sovrapporre tra loro per creare una nuova entità. Gli scienziati chiamano questa degenerazione quantistica. (La materia quantistica può comportarsi sia come particelle che come onde di materia, questo è, modelli di forme d'onda della probabilità di localizzazione di una particella).

La degenerazione quantistica significa anche un aumento della repulsione tra le particelle fermioniche, che tendono comunque ad essere solitari, con conseguente minor numero di reazioni chimiche e un gas più stabile. Questo è il primo esperimento in cui gli scienziati hanno osservato effetti quantistici collettivi che influenzano direttamente la chimica delle singole molecole, Hai detto.

"Questo è il primo gas degenere quantistico di molecole stabili alla rinfusa, e le reazioni chimiche vengono soppresse, un risultato che nessuno aveva previsto, "Hai detto.

Le molecole create in questo esperimento sono chiamate molecole polari perché hanno una carica elettrica positiva all'atomo di rubidio e una carica negativa all'atomo di potassio. Le loro interazioni variano in base alla direzione e possono essere controllate con campi elettrici. Le molecole polari offrono quindi più sintonizzabili, interazioni più forti e "manopole" di controllo aggiuntive rispetto alle particelle neutre.

Queste nuove temperature ultrabasse consentiranno ai ricercatori di confrontare le reazioni chimiche in ambienti quantistici con quelli classici e studiare come i campi elettrici influenzano le interazioni polari. Eventuali vantaggi pratici potrebbero includere nuovi processi chimici, nuovi metodi per il calcolo quantistico utilizzando molecole cariche come bit quantistici, e nuovi strumenti di misurazione di precisione come gli orologi molecolari.

Il processo per creare le molecole inizia con una miscela di gas di atomi di potassio e rubidio molto freddi confinati da un raggio laser. Facendo scorrere un campo magnetico sintonizzato con precisione attraverso gli atomi, gli scienziati creano grandi, molecole debolmente legate contenenti un atomo di ciascun tipo. Questa tecnica è stata sperimentata dal collega di Ye, la defunta Deborah Jin, nella sua dimostrazione del 2003 del primo condensato di Fermi al mondo.

Per convertire queste molecole relativamente soffici in molecole strettamente legate senza riscaldare il gas, gli scienziati usano due laser che operano a frequenze diverse, ciascuno risuonando con un diverso salto di energia nelle molecole, per convertire l'energia di legame in luce invece che in calore. Le molecole assorbono la luce laser nel vicino infrarosso e rilasciano luce rossa. Nel processo, Il 90% delle molecole viene convertito attraverso uno stato energetico intermedio, al livello energetico più basso e stabile.