Het koudste laboratorium van New York heeft een nieuw kwantumaanbod europahoy.news

Een hete nieuwe BEC in de stad heeft niets te maken met spek, eieren en kaas. Je vindt het niet bij je plaatselijke wijnmakerij, maar op de koudste plek van New York: het fysieke laboratorium van Columbia. Sebastiaan Wilwiens experimentele groep gespecialiseerd is in het brengen van atomen en moleculen naar temperaturen die slechts een fractie van een graad boven het absolute nulpunt liggen.

Met behulp van microgolven hebben natuurkundigen uit Columbia een Bose-Einstein-condensaat gecreëerd, een unieke toestand van materie, uit natrium- en cesiummoleculen. Afbeelding tegoed: The Will Lab/Myles Marshall

inschrijven Natuurhet Will-laboratorium, ondersteund door een theoretische medewerker Tijs Karman aan de Radboud Universiteit in Nederland heeft met succes een unieke kwantumtoestand van materie gecreëerd, genaamd Bose-Einstein-condensaat (BEC) buiten de moleculen.

De BEC, afgekoeld tot slechts vijf nanokelvin, of ongeveer -459,66 ° F, en stabiel gedurende een verrassend lange twee seconden, is gemaakt van natrium- en cesiummoleculen. Net als watermoleculen zijn deze moleculen polair, wat betekent dat ze zowel een positieve als een negatieve lading hebben. De onevenwichtige verdeling van elektrische lading vergemakkelijkt de langeafstandsinteracties die de meest interessante natuurkunde creëren, merkte Will op.

Het onderzoek dat het Will Lab graag wil uitvoeren met zijn moleculaire BEC’s omvat het onderzoeken van een aantal verschillende kwantumfenomenen, waaronder nieuwe soorten superfluïditeit, een toestand van materie die stroomt zonder enige wrijving te ervaren. Ze hopen ook hun BEC’s om te zetten in simulatoren die de raadselachtige kwantumeigenschappen van complexere materialen, zoals vaste kristallen, kunnen nabootsen.

« Moleculaire condensaten van Bose-Einstein openen geheel nieuwe onderzoeksgebieden, van het begrijpen van werkelijk fundamentele natuurkunde tot het bevorderen van krachtige kwantumsimulaties », zei hij. « Dit is een opwindende prestatie, maar het is eigenlijk nog maar het begin. »

Het is een droom die uitkomt voor het Will-lab en een droom die al tientallen jaren in de maak is voor de bredere ultrakoude onderzoeksgemeenschap.

Het Will Lab gebruikt een reeks lasers en optica als onderdeel van zijn koelexperimenten.

Ultrakoude moleculen, een eeuw in ontwikkeling

De wetenschap van BEC’s gaat een eeuw terug naar de natuurkundigen Satyendra Nath Bose en Albert Einstein. In een reeks artikelen gepubliceerd in 1924 en 1925 voorspelden ze dat een groep deeltjes die tot bijna stilstand waren afgekoeld, zou samensmelten tot een enkele, grotere superentiteit met gedeelde eigenschappen en gedragingen die werden gedicteerd door de wetten van de kwantummechanica. Als BEC’s zouden kunnen worden gecreëerd, zouden ze onderzoekers een aantrekkelijk platform bieden om de kwantummechanica op een beter beheersbare schaal te onderzoeken dan individuele atomen of moleculen.

Er gingen ongeveer zeventig jaar voorbij sinds die eerste theoretische voorspellingen, maar de eerste atomaire BEC’s werden in 1995 gecreëerd. Deze prestatie werd erkend met de Nobelprijs voor natuurkunde in 2001, net rond de tijd dat Will begon aan zijn studie natuurkunde aan de Universiteit van Mainz in Duitsland. Laboratoria maken nu routinematig atomaire BEC’s van verschillende soorten atomen. Deze BEC’s hebben ons begrip van concepten zoals de golfkarakteristiek van materie en supervloeistoffen vergroot en hebben geleid tot de ontwikkeling van technologieën zoals kwantumgasmicroscopen en kwantumsimulators, om er maar een paar te noemen.

Maar atomen zijn, in het grote geheel der dingen, relatief eenvoudig. Het zijn ronde objecten en vertonen doorgaans geen interacties die kunnen ontstaan ​​als gevolg van polariteit. Sinds de eerste atomaire BEC’s werden gemaakt, wilden wetenschappers ingewikkelder versies van moleculen maken. Maar zelfs eenvoudige diatomische moleculen gemaakt van twee atomen van verschillende elementen die aan elkaar waren gebonden, bleken moeilijk af te koelen tot onder de temperatuur die nodig was om een ​​goede BEC te vormen.

De eerste doorbraak kwam in 2008, toen Deborah Jin en Jun Ye, natuurkundigen bij JILA in Boulder, Colorado, een gas van kalium- en rubidiummoleculen afkoelden tot ongeveer 350 nanokelvin. Deze ultrakoude moleculen zijn de afgelopen jaren nuttig gebleken voor het uitvoeren van kwantumsimulaties en het bestuderen van moleculaire botsingen en kwantumchemie, maar er waren zelfs lagere temperaturen nodig om de BEC-drempel te overschrijden.

In 2023 creëerde het Will-laboratorium de eerste ultrakoude gas van hun favoriete molecuul, natrium-cesium, met behulp van een combinatie van laserkoeling en magnetische manipulaties, vergelijkbaar met de aanpak van Jin en Ye. Om het kouder te houden, hadden ze een magnetron meegenomen.

Voeg een magnetron toe om het af te koelen

Microgolven zijn een vorm van elektromagnetische straling met een lange geschiedenis in Columbia. In de jaren dertig deed natuurkundige Isidor Isaac Rabi, die later de Nobelprijs voor de natuurkunde zou ontvangen, baanbrekend werk op het gebied van microgolven, wat leidde tot de ontwikkeling van radarsystemen in de lucht. « Rabi was een van de eersten die de kwantumtoestanden van moleculen controleerde en was een pionier op het gebied van microgolfonderzoek », zei Will. « Ons werk volgt die 90-jarige traditie. »

Hoewel je misschien bekend bent met de rol van microgolven bij het verwarmen van voedsel, blijkt dat ze ook het koelen kunnen vergemakkelijken. Individuele moleculen hebben de neiging met elkaar te botsen en als gevolg daarvan grotere complexen te vormen die uit de monsters verdwijnen. Microgolven kunnen kleine schilden rond elk molecuul creëren die voorkomen dat ze botsen, een idee voorgesteld door Karman, zijn medewerker in Nederland. Omdat de moleculen beschermd zijn tegen lekkende botsingen, kunnen alleen de heetste bij voorkeur uit het monster worden verwijderd, hetzelfde fysieke principe dat je kopje koffie afkoelt als je erop blaast, legt auteur Niccolò Bigagli uit. De moleculen die overblijven zullen kouder zijn en de algehele temperatuur van het monster zal dalen.

Het team kwam afgelopen herfst dicht bij het creëren van moleculaire BEC in werk gepubliceerd in Natuurfysica die de microgolfbeschermingsmethode introduceerde. Maar een nieuwe experimentele wending was nodig. Toen ze een tweede microgolfveld toevoegden, werd de koeling nog efficiënter en overschreed natrium-cesium uiteindelijk de BEC-drempel, een doel dat het Will Lab sinds de opening in Columbia in 2018 had nagestreefd.

“Dit was een fantastische afsluiting voor mij”, zegt Bigagli, die dit voorjaar promoveerde in de natuurkunde en medeoprichter was van het laboratorium. « We zijn van het nog niet geïnstalleerd hebben van een laboratorium naar deze fantastische resultaten gegaan. »

Naast het verminderen van botsingen kan het tweede microgolfveld ook de oriëntatie van moleculen manipuleren. Dit is op zijn beurt een manier om te controleren hoe ze met elkaar omgaan, iets wat het laboratorium momenteel onderzoekt. « Door deze dipoolinteracties te beheersen, hopen we nieuwe kwantumtoestanden en fasen van materie te creëren », zegt co-auteur en Columbia-postdoc Ian Stevenson.

Er gaat een nieuwe wereld open voor de kwantumfysica

Ye, een pionier op het gebied van ultrakoude wetenschap uit Boulder, noemt de resultaten een prachtig stukje wetenschap. « Het werk zal belangrijke implicaties hebben op verschillende wetenschappelijke gebieden, waaronder de studie van de kwantumchemie en de verkenning van sterk gecorreleerde kwantummaterialen », aldus hij. « Will’s experiment presenteert nauwkeurige controle van moleculaire interacties om het systeem in de richting van het gewenste resultaat te sturen: een prachtige prestatie in de kwantumcontroletechnologie. »

In de tussentijd is het Columbia-team verheugd over een theoretische beschrijving van de interacties tussen moleculen die experimenteel gevalideerd is. « We hebben echt een goed idee van de interacties in dit systeem, wat ook van cruciaal belang is voor volgende stappen, zoals het onderzoeken van de dipoolfysica van veel lichamen », zei Karman. “We hebben schema’s bedacht om de interacties te controleren, deze in theorie getest en in het experiment geïmplementeerd. “Het was echt een ongelooflijke ervaring om deze ideeën voor microgolfafscherming in het laboratorium gerealiseerd te zien.”

Er zijn tientallen theoretische voorspellingen die nu experimenteel kunnen worden getest met moleculaire BEC’s, waarvan co-eerste auteur en promovendus Siwei Zhang opmerkte dat ze vrij stabiel zijn. De meeste ultrakoude experimenten worden in één seconde uitgevoerd (sommige slechts enkele milliseconden), maar de moleculaire BEC’s van het laboratorium duren langer dan twee seconden. « Dat zal ons echt in staat stellen open vragen in de kwantumfysica te onderzoeken », zei hij.

Eén idee is om kunstmatige kristallen te maken waarbij BEC’s gevangen zitten in een optisch netwerk gemaakt van lasers. Dit zou krachtige kwantumsimulaties mogelijk maken die interacties in natuurlijke kristallen nabootsen, merkte Will op, wat een aandachtsgebied is van de fysica van de gecondenseerde materie. Kwantumsimulatoren worden doorgaans gemaakt met atomen, maar atomen hebben interacties op korte afstand (ze moeten praktisch op elkaar staan), wat hun vermogen om ingewikkelder materialen te modelleren beperkt. « De moleculaire BEC zal meer smaak introduceren », zei Will.

Dat omvat dimensionaliteit, zei co-eerste auteur en promovendus Weijun Yuan. “Wij willen de BEC’s graag inzetten in een 2D-systeem. “Als je van drie dimensies naar twee dimensies gaat, kun je altijd verwachten dat er nieuwe natuurkunde zal ontstaan”, zei hij. 2D-materialen zijn een belangrijk onderzoeksgebied bij Columbia; Het hebben van een modelsysteem gemaakt van moleculaire BEC’s zou Will en zijn collega’s in de gecondenseerde materie kunnen helpen kwantumfenomenen zoals supergeleiding, superfluïditeit en meer te onderzoeken.

“Het voelt alsof er een hele nieuwe wereld van mogelijkheden opengaat”, zei Will.

Fontein: Columbia Universiteit