I ricercatori JILA hanno sviluppato strumenti per "accendere" i gas quantistici delle molecole ultrafredde, ottenere il controllo delle interazioni molecolari a lunga distanza per potenziali applicazioni come la codifica dei dati per il calcolo quantistico e le simulazioni.

Il nuovo schema per spingere un gas molecolare fino al suo stato energetico più basso, chiamata degenerazione quantistica, mentre sopprimere le reazioni chimiche che rompono le molecole rende finalmente possibile esplorare stati quantistici esotici in cui tutte le molecole interagiscono tra loro.

La ricerca è descritta nel numero del 10 dicembre di Natura . JILA è un istituto congiunto del National Institute of Standards and Technology (NIST) e dell'Università del Colorado Boulder.

"Le molecole sono sempre celebrate per le loro interazioni a lungo raggio, che può dare origine a una fisica quantistica esotica e a un nuovo controllo nella scienza dell'informazione quantistica, " Il membro del NIST/JILA Jun Ye ha detto. "Tuttavia, fino ad ora, nessuno aveva capito come attivare queste interazioni a lungo raggio in un gas alla rinfusa".

"Ora, tutto questo è cambiato. Il nostro lavoro ha mostrato per la prima volta che possiamo attivare un campo elettrico per manipolare le interazioni molecolari, farli raffreddare ulteriormente, e iniziare a esplorare la fisica collettiva in cui tutte le molecole sono accoppiate tra loro".

Il nuovo lavoro fa seguito ai molti precedenti risultati di Ye con i gas quantistici ultrafreddi. I ricercatori hanno a lungo cercato di controllare le molecole ultrafredde nello stesso modo in cui possono controllare gli atomi. Le molecole offrono ulteriori mezzi di controllo, compresa la polarità, cioè cariche elettriche opposte e molte vibrazioni e rotazioni diverse.

Gli esperimenti JILA hanno creato un gas denso di circa 20, 000 molecole di potassio-rubidio intrappolate a una temperatura di 250 nanokelvin sopra lo zero assoluto (circa meno 273 gradi Celsius o meno 459 gradi Fahrenheit). In modo cruciale, queste molecole sono polari, con una carica elettrica positiva all'atomo di rubidio e una carica negativa all'atomo di potassio. Le differenze tra queste cariche positive e negative, chiamati momenti di dipolo elettrico, fanno sì che le molecole si comportino come minuscoli magneti della bussola sensibili a determinate forze, in questo caso campi elettrici.

Quando il gas viene raffreddato vicino allo zero assoluto, le molecole smettono di comportarsi come particelle e si comportano invece come onde che si sovrappongono. Le molecole restano separate perché sono fermioni, una classe di particelle che non possono trovarsi nello stesso stato quantistico e nella stessa posizione allo stesso tempo e quindi si respingono a vicenda. Ma possono interagire a lungo raggio attraverso le loro onde sovrapposte, momenti di dipolo elettrico e altre caratteristiche.

Nel passato, I ricercatori di JILA hanno creato gas quantistici di molecole manipolando un gas contenente entrambi i tipi di atomi con un campo magnetico e laser. Questa volta i ricercatori hanno prima caricato la miscela di atomi gassosi in una pila verticale di sottili, trappole a forma di pancake formate da luce laser (chiamata reticolo ottico), confinando strettamente gli atomi lungo la direzione verticale. I ricercatori hanno quindi utilizzato campi magnetici e laser per legare insieme coppie di atomi in molecole. Gli atomi rimanenti sono stati riscaldati e rimossi sintonizzando un laser per eccitare il movimento unico per ogni tipo di atomo.

Quindi, con la nuvola molecolare posizionata al centro di un nuovo assieme di sei elettrodi formato da due lastre di vetro e quattro bacchette di tungsteno, i ricercatori hanno generato un campo elettrico sintonizzabile.

Il campo elettrico ha innescato interazioni repulsive tra le molecole che hanno stabilizzato il gas, riducendo gli urti anelastici ("cattivi") in cui le molecole subiscono una reazione chimica e fuoriescono dalla trappola. Questa tecnica ha aumentato i tassi di interazioni elastiche ("buone") più di cento volte sopprimendo le reazioni chimiche.

Questo ambiente ha consentito un efficiente raffreddamento evaporativo del gas fino a una temperatura inferiore all'inizio della degenerazione quantistica. Il processo di raffreddamento ha rimosso le molecole più calde dalla trappola reticolare e ha permesso alle molecole rimanenti di adattarsi a una temperatura più bassa attraverso le collisioni elastiche. Attivare lentamente un campo elettrico orizzontale per centinaia di millisecondi ha ridotto la forza della trappola in una direzione, abbastanza a lungo perché le molecole calde fuoriescano e le molecole rimanenti si raffreddino. Al termine di questo processo, le molecole sono tornate al loro stato più stabile ma ora in un gas più denso.

Il nuovo metodo JILA può essere applicato per produrre gas ultrafreddi da altri tipi di molecole polari.

I gas molecolari ultrafreddi possono avere molti usi pratici, compresi nuovi metodi per il calcolo quantistico che utilizzano molecole polari come bit quantistici; simulazioni e migliore comprensione di fenomeni quantistici come la colossale magnetoresistenza (per una migliore memorizzazione ed elaborazione dei dati) e la superconduttività (per una trasmissione di energia elettrica perfettamente efficiente); e nuovi strumenti per la misurazione di precisione come orologi molecolari o sistemi molecolari che consentono la ricerca di nuove teorie della fisica.