Un team di sperimentali dell'Istituto Max Planck di ottica quantistica (MPQ) e di teorici dell'Accademia cinese delle scienze (CAS) è riuscito per la prima volta a popolare e stabilizzare un nuovo tipo di molecola, le cosiddette molecole tetratomiche legate al campo . Queste "supermolecole" sono così fragili che possono esistere solo a temperature ultrafredde. La loro esistenza era sospettata da tempo ma non era mai stata dimostrata sperimentalmente, fino ad ora.
Le molecole poliatomiche create in questo nuovo studio sono composte da più di due atomi e sono state raffreddate con successo fino a 134 nanokelvin, più di 3.000 volte più fredde della temperatura delle molecole tetratomiche precedentemente create. Questo risultato non è solo un’impresa nuova nella fisica molecolare, ma anche un significativo passo avanti nello studio della materia ultrafredda esotica. La ricerca è pubblicata su Nature .
Circa due decenni fa, il fisico teorico americano John Bohn e i suoi colleghi predissero un nuovo tipo di legame tra molecole polari:se le molecole trasportano una carica distribuita asimmetricamente – ciò che i fisici chiamano polarità – possono combinarsi in un campo elettrico per formare “supermolecole” debolmente legate. ."
Il comportamento di queste molecole polari può essere pensato come l’ago di una bussola all’interno di un guscio duro. Quando vengono avvicinati, gli aghi della bussola subiscono un'attrazione più forte del campo magnetico terrestre e puntano l'uno verso l'altro invece di allinearsi al nord.
Un fenomeno simile può essere osservato con le molecole polari, che in condizioni specifiche possono formare uno stato legato unico tramite forze elettriche. Il loro legame ricorda un po' quello di una coppia che balla, tenendosi stretti e allo stesso tempo mantenendo costantemente una certa distanza.
Lo stato legato delle supermolecole è molto più debole dei tipici legami chimici, ma allo stesso tempo ha una portata molto più lunga. Le supermolecole condividono una lunghezza di legame su distanze che sono diverse centinaia di volte più lunghe rispetto alle molecole normalmente legate.
A causa di questa natura a lungo raggio, tali supermolecole sono altamente sensibili:se i parametri del campo elettrico vengono modificati solo leggermente ad un valore critico, le forze tra le molecole cambiano drasticamente, un fenomeno chiamato "risonanza collegata al campo". " Ciò consente ai ricercatori di variare in modo flessibile la forma e le dimensioni delle molecole con un campo a microonde.
Le molecole poliatomiche ultrafredde contengono una ricca struttura interna che offre nuove entusiasmanti possibilità nella chimica del freddo, nelle misurazioni di precisione e nell’elaborazione delle informazioni quantistiche. Tuttavia, la loro elevata complessità rispetto alle molecole biatomiche rappresenta una sfida importante per l'impiego di tecniche di raffreddamento convenzionali come il raffreddamento laser diretto e il raffreddamento evaporativo.
I ricercatori del "NaK Lab" (laboratorio di sodio e potassio) dell'MPQ, guidati dal Dr. Xin-Yu Luo, dal Dr. Timon Hilker e dal Prof. Immanuel Bloch, hanno realizzato una serie di risultati pionieristici e Natura -scoperte pubblicate negli ultimi anni, che sono state cruciali per superare finalmente questa sfida.
Innanzitutto, nel 2021, i ricercatori di questo laboratorio hanno inventato una nuova tecnica di raffreddamento per molecole polari utilizzando un campo di microonde rotante ad alta potenza, stabilendo così un nuovo record di bassa temperatura:21 milionesimi di grado sopra lo zero assoluto a meno 273,15 gradi Celsius.
Un anno dopo, i ricercatori sono riusciti a creare le condizioni necessarie per osservare per la prima volta la firma del legame tra queste molecole negli esperimenti di diffusione. Ciò ha fornito la prima prova indiretta dell'esistenza di questi costrutti esotici teoricamente previsti da tempo.
Ora esistono anche prove dirette del fatto che i ricercatori sono riusciti a creare e stabilizzare queste supermolecole nel loro esperimento. L'imaging di queste "supermolecole" ha rivelato la loro simmetria dell'onda p, una caratteristica unica cruciale nella realizzazione di materiali quantistici topologici, che a loro volta possono essere rilevanti per il calcolo quantistico tollerante ai guasti.
"Questa ricerca avrà implicazioni immediate e di vasta portata", afferma Xing-Yan Chen, Ph.D. Candidato e primo autore dell'articolo. "Poiché il metodo è applicabile a un'ampia gamma di specie molecolari, consente di esplorare una varietà molto più ampia di molecole poliatomiche ultrafredde. In futuro, potrebbe consentire di creare molecole ancora più grandi e dalla vita più lunga che sarebbero particolarmente interessanti per la precisione metrologia o chimica quantistica."
"Siamo arrivati a questi risultati grazie anche alla nostra stretta collaborazione con il Prof. Tao Shi e il suo team del CAS", aggiunge il Dr. Luo, il ricercatore principale dell'esperimento. "Il nostro prossimo obiettivo è raffreddare ulteriormente queste 'supermolecole' bosoniche per formare un condensato di Bose-Einstein (BEC), dove le molecole si muovono insieme collettivamente. Questa prospettiva racchiude un potenziale importante per la nostra comprensione fondamentale della fisica quantistica. La cosa più sorprendente è che, grazie a semplicemente sintonizzando un campo di microonde, un BEC di "supermolecole" può trasformarsi in un nuovo fluido quantistico di molecole fermioniche preservando la speciale simmetria dell'onda p."
Ulteriori informazioni: Xing-Yan Chen et al, Molecole tetratomiche legate a campi ultrafreddi, Natura (2024). DOI:10.1038/s41586-023-06986-6
Informazioni sul giornale: Natura
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