Физики доводят частицы до нового, ультрахолодного предела, создавая состояние материи, в котором царит квантовая механика.

В городе появился новый интересный BEC, который не имеет ничего общего с беконом, яйцами и сыром. Вы найдете его не в местном универмаге, а в самом холодном месте Нью-Йорка: в лаборатории физика Себастьяна Вейля из Колумбийского университета, чья экспериментальная группа специализируется на доведении атомов и молекул до температур, которые лишь на доли градуса выше этой температуры. абсолютный ноль.

письмо в природаЛаборатории Вейля при поддержке научного сотрудника Тийса Кармана из Университета Радбауд в Нидерландах удалось создать из молекул уникальное квантовое состояние материи, называемое бозе-эйнштейновским конденсатом (БЭК).

БЭК охлаждается всего до пяти нанокельвинов, или около -459,66 градусов по Фаренгейту, стабилен в течение двух долгих секунд и состоит из молекул натрия и цезия. Как и молекулы воды, эти молекулы полярны, то есть несут как положительный, так и отрицательный заряд. Вейль отметил, что несбалансированное распределение электрического заряда способствует дальнодействующим взаимодействиям, которые составляют наиболее интересную физику.

Исследование, которое Лаборатория Вейля с радостью проводит с помощью Bose-Einstein Molecular, включает в себя изучение ряда различных квантовых явлений, включая новые типы сверхтекучести — состояния материи, которая течет, не испытывая никакого трения. Они также надеются превратить свои модели Бозе-Эйнштейна в симуляторы, которые смогут воссоздать загадочные квантовые свойства более сложных материалов, таких как твердые кристаллы.

«Молекулярные конденсаты Бозе-Эйнштейна открывают совершенно новые области исследований: от понимания действительно фундаментальной физики до разработки мощных квантовых моделей», — сказал он. «Это захватывающее достижение, но на самом деле это только начало».

Это сбывшаяся мечта для Weill Lab и десятилетия для более широкого исследовательского сообщества по изучению ультрахолода.

Чтобы сделать его еще круче, добавьте микроволны

Микроволны являются формой электромагнитного излучения и имеют долгую историю в Колумбии. В 1930-х годах физик Исидор Исаак Раби, получивший Нобелевскую премию по физике, провёл новаторскую работу в области микроволн, которая привела к разработке бортовых радиолокационных систем.

«Рабе был одним из первых, кто освоил квантовые состояния молекул, и был пионером в области микроволновых исследований», — сказал Вейль. «Наш бизнес следует этой 90-летней традиции».

Хотя вы, возможно, знакомы с ролью микроволн в разогреве пищи, оказывается, что они также могут облегчить процесс охлаждения. Отдельные молекулы имеют тенденцию сталкиваться друг с другом и в результате образовывать более крупные комплексы, которые исчезают из образцов. Микроволны могут создавать крошечные щиты вокруг каждой молекулы, предотвращая их столкновения. Эту идею предложил Карман, их коллега из Нидерландов.

Поскольку молекулы защищены от пропущенных столкновений, из образца можно предпочтительно удалить только самые горячие молекулы. Это тот же физический принцип, который охлаждает вашу кофейную чашку, когда вы дуете на нее, — объясняет автор Никколо Бигагли. Оставшиеся молекулы будут холоднее, и общая температура образца снизится.

Осенью прошлого года команда подошла близко к созданию молекулярного БЭК в работе, опубликованной в журнале Физика природы Который представил метод микроволнового экранирования. Но требовалась еще одна экспериментальная разработка. Когда они добавили второе микроволновое поле, охлаждение стало более эффективным, и цезий натрия, наконец, преодолел порог BEC — цель, которую лаборатория Вейла преследовала с момента своего открытия в Колумбии в 2018 году.

«Для меня это был отличный конец», — сказал Бигагли, получивший докторскую степень. Этой весной он получил докторскую степень по физике и был одним из основателей лаборатории. «Мы прошли путь от отсутствия лаборатории до этих удивительных результатов».

Помимо уменьшения столкновений, второе микроволновое поле может также контролировать ориентацию молекул. Это, в свою очередь, способ контролировать их взаимодействие, который в настоящее время изучает лаборатория. «Управляя этими дипольными взаимодействиями, мы надеемся создать новые квантовые состояния и фазы материи», — сказал соавтор и постдокторант Колумбийского университета Ян Стивенсон.

Открывается новый мир квантовой физики

Йи, пионер науки об ультрахолоде из Боулдера, считает результаты прекрасным научным достижением. «Эта работа будет иметь важные последствия для ряда научных областей, включая изучение квантовой химии и исследование сильносвязанных квантовых материалов», — прокомментировал он. «Эксперимент Вейля обеспечивает точный контроль молекулярных взаимодействий, чтобы направить систему к желаемому результату, что является выдающимся достижением в технологии квантового контроля».

Между тем, команда Колумбийского университета рада получить экспериментальное подтверждение теоретического описания межмолекулярных взаимодействий. «У нас уже есть хорошее представление о взаимодействиях в этой системе, что также имеет решающее значение для следующих шагов, таких как изучение физики многополярных тел», — сказал Керман. «Мы придумали схемы управления реакциями, проверили их теоретически и реализовали в эксперименте. Это был поистине потрясающий опыт — увидеть, как эти идеи микроволнового «щита» реализованы в лаборатории».

Существуют десятки теоретических предсказаний, которые теперь можно проверить экспериментально с использованием молекулярных БЭК, в соавторстве с первым автором и доктором философии. Студент Сивэй Чанг отметил, что он довольно стабилен. Большинство ультрахолодных экспериментов выполняются в течение одной секунды, некоторые — всего в несколько миллисекунд, но молекулярные реакции БЭК в лаборатории длятся более двух секунд. «Это позволит нам исследовать открытые вопросы квантовой физики», — сказал он.

Одна из идей — создать искусственные кристаллы Бозе-Эйнштейна, заключенные в оптическую решетку из лазеров. По словам Вейля, это позволит проводить мощное квантовое моделирование, имитирующее взаимодействия в природных кристаллах, и является основной областью физики конденсированного состояния.

Квантовые симуляторы обычно создаются с использованием атомов, но у атомов есть короткодействующие взаимодействия – где они практически должны находиться друг над другом – что ограничивает степень, в которой они могут моделировать более сложные материалы. «Молекулярный BEC обеспечит больше вкуса», — сказал Вейл.

Это включает в себя измерения, сказал соавтор и доктор философии. Студентка Вэйцзюнь Юань. «Мы хотели бы использовать BEC в 2D-системе. Когда вы переходите от 3D к 2D, вы всегда можете ожидать появления новой физики», — сказал он. 2D-материалы — основная область исследований Колумбийского университета; Наличие модельной системы, состоящей из молекулярных БЭК, могло бы помочь Вейлу и его коллегам из конденсированной среды исследовать квантовые явления, включая сверхпроводимость, сверхтекучесть и многое другое.

«Кажется, что открывается целый новый мир возможностей», — сказал Уилл.