Le molecole ultrafredde sono promettenti per applicazioni in nuove tecnologie quantistiche. Sfortunatamente, queste molecole vengono distrutte in caso di collisione tra loro. Ricercatori dell'Università di Harvard, MIT, La Korea University e la Radboud University hanno dimostrato che queste perdite di collisione possono essere prevenute guidando l'interazione tra le molecole utilizzando le microonde in modo tale che si respingano a vicenda e, perciò, non avvicinarsi l'uno all'altro durante le collisioni. Il loro articolo sarà pubblicato in Scienza il 13 agosto.

Le prossime tecnologie quantistiche come il calcolo quantistico e la simulazione quantistica sono tutto il clamore in questo momento. Sono stati fatti enormi passi avanti verso la loro realizzazione in varie piattaforme come gli ioni intrappolati e gli array di atomi di Rydberg. Le molecole ultrafredde sono un'altra piattaforma promettente. Sfortunatamente, le collisioni tra le molecole portano alla perdita come se fossero chimicamente reattive, che ha limitato la capacità di raffreddare le molecole nell'ultimo decennio. Un team di ricercatori ha ora dimostrato che queste perdite di collisione possono essere soppresse progettando interazioni repulsive tra le molecole utilizzando le microonde.

L'eliminazione delle perdite per collisione e l'aumento delle collisioni elastiche consentirà di raffreddare le molecole in un gas quantistico e renderà possibile la loro applicazione nelle nuove tecnologie quantistiche. Un vantaggio unico delle molecole ultrafredde è che le interazioni tra le molecole possono essere regolate e controllate ruotando una manopola in laboratorio, utilizzando campi esterni. Per esempio, quando le molecole sono esposte alle microonde, i loro momenti di dipolo oscilleranno insieme alle microonde. In questo modo possiamo controllare le interazioni tra i momenti di dipolo molecolare.

Piuttosto che seguire il campo delle microonde, i momenti di dipolo possono anche incastrarsi tra loro, che può causare attrazione o repulsione tra le molecole. La repulsione tra le molecole può impedire loro di avvicinarsi. "In questo modo possiamo proteggere le molecole dalle perdite per collisione, " spiega Tijs Karman della Radboud University, chi ha proposto questo metodo e i cui calcoli hanno guidato l'esperimento.

Realizzazione sperimentale

Per la prima volta, la schermatura a microonde è stata dimostrata sperimentalmente nel laboratorio del professor John Doyle dell'Università di Harvard. Questo esperimento utilizza molecole di monofluoruro di calcio (CaF) che vengono raffreddate a una temperatura di 100 µK utilizzando una tecnica chiamata raffreddamento laser. Queste molecole vengono quindi immagazzinate in trappole individuali realizzate da luce laser focalizzata verso il basso, che sono chiamate pinzette ottiche. Due di queste pinzette, ciascuno contenente una singola molecola, vengono poi uniti per studiare le collisioni tra esattamente due molecole. Per schermare le molecole, sono esposti alle microonde da una serie di antenne. In questo modo, i fisici hanno progettato interazioni repulsive tra le molecole che le proteggono dalla perdita per collisione. Il tasso di perdita è stato ridotto di un fattore sei.

Raffreddamento a un gas quantico di molecole

Oltre a sopprimere le perdite di collisione, la repulsione tra le molecole quando sono distanti porta a rapidi urti elastici. Qui gli urti elastici sono potenziati da un fattore 17. Questi urti elastici sono importanti per la termalizzazione. La termalizzazione rapida e la perdita lenta sono esattamente ciò che è necessario per un ulteriore raffreddamento delle molecole per evaporazione, una pietra miliare di lunga data nel campo. Perciò, la schermatura dimostrata qui è un passo importante verso la creazione di un gas quantistico di molecole ultrafredde e la realizzazione di future tecnologie quantistiche come l'informatica quantistica e la simulazione quantistica.