Mii de molecule într-o singură stare cuantică într-un condensat Bose-Einstein

Într-un experiment remarcabil pentru fizică cuantică, mii de molecule s-au aflat în aceeași stare cuantică, „dansând” împreună la unison ca o supermoleculă uriașă.

Acesta este un obiectiv căutat de multă vreme de fizicieni, care speră să valorifice caracteristicile sistemelor cuantice complexe în aplicații tehnologice.

„Fizicienii au încercat să obţină acest lucru de zeci de ani, așa că suntem foarte încântați de acest rezultat.

Sper că această realizare va deschide noi domenii în chimia cuantică. Există dovezi că o mulțime de descoperiri ar putea urma”, a spus fizicianul Cheng Chin de la Universitatea din Chicago.

Conceptul unui nor de particule care acționează împreună ca o singură particulă mare, având aceeaşi stare cuantică, nu este nou. Acesta a fost dovedit experimentat de zeci de ani în cazul norilor de atomi dintr-o stare a materiei numită condensat Bose-Einstein.

Această stare a materiei constă din atomi răciți până la doar o fracțiune peste zero absolut (temperatura la care atomii se opresc din mișcare).

La această temperatură atomii se află în starea lor de cea mai joasă energie, mișcându-se extrem de lent, astfel încât diferențele de energie dintre ei dispar. În consecinţă, atomii  se află într-o stare de suprapunere (superpoziţie) cuantică.

Rezultatul este un nor de atomi de mare densitate care acționează ca un „superatom” sau ca o undă de materie.

Moleculele sunt formate din mai mulți atomi legați împreună și, prin urmare, sunt mult mai dificil de adus într-o stare de superpoziţie cuantică.

„Atomii sunt simple obiecte sferice, în timp ce moleculele pot vibra, se pot roti şi pot avea proprietăţi magnetice.

Deoarece moleculele pot face atât de multe lucruri diferite, ele sunt foarte utile în experimente, chiar dacă sunt mult mai greu de controlat decât atomii”, a explicat Chin.

Pentru a obţine condensatul molecular Bose-Einstein, echipa de cercetători, condusă de fizicianul Zhendong Zhang de la Universitatea din Chicago, a început cu un condensat atomic Bose-Einstein, folosind un gaz format din 60.000 de atomi de cesiu.

Ulterior, ei au răcit condensatul și au mărit câmpul magnetic, astfel încât aproximativ 15% dintre atomii de cesiu s-au ciocnit și s-au legat împreună în perechi formand molecule de dicesiu.

Atomii nelegați au fost eliminaţi din capcană, cercetătorii aplicând un câmp magnetic pentru a reţine și a constrânge moleculele rămase să formeze o configurație bidimensională.

„De obicei, moleculele vor să se miște în toate direcțiile și dacă le permitem acest lucru atunci ele sunt mult mai puțin stabile.

Am forţat moleculele să ocupe o suprafață 2D și să se poată mișca doar în două direcții”, a explicat Chin.

Gazul rezultat a fost format din molecule despre care oamenii de știință au descoperit că aveau aceeași stare cuantică, aceeaşi rotație, orientare și vibrație.

Condensat molecular Bose-Einstein. Credit: Chin

Chiar dacă fizicienii nu au explorat încă caracteristicile unui condensat molecular Bose-Einstein, această realizare deschide noi direcţii de cercetare pentru experimente viitoare. Nu doar pentru condensatul molecular în sine, ci și pentru tranziția dintre condensatele Bose-Einstein atomice și moleculare.

Înţelegerea acestor stări speciale ale materiei îi va ajuta pe oamenii de știință să eficientizeze procesele care stau la baza lor, astfel încât să fie create condensate şi cu alte molecule care pot fi mai ușor de studiat sau mai eficiente pentru diferite aplicații tehnologice.

„Atunci cînd ne gândim la chimie, ne imaginăm de obicei câțiva atomi și molecule care se ciocnesc și formează o nouă moleculă.

În regimul cuantic toate moleculele acționează împreună, într-un comportament colectiv. Acest lucru deschide o modalitate cu totul nouă de a explora modul cum moleculele pot reacționa împreună pentru a deveni un nou tip de moleculă”, a explicat Chin.

Cercetarea echipei a fost publicată în Nature.

Traducere după Physicists Harnessed Thousands of Molecules Into a Single Quantum State