In Kolumbien entsteht ein einzigartiger Quantenzustand der Materie

Physiker in Universität von Columbia Sie haben Moleküle in ein neues, ultrakaltes Extrem gebracht und einen Materiezustand geschaffen, in dem die Quantenmechanik die Oberhand hat.

Es gibt ein aufregendes neues BEC in der Stadt, das nichts mit Speck, Eiern und Käse zu tun hat. Sie finden es nicht in Ihrem örtlichen Kaufhaus, sondern am kältesten Ort in New York: dem Labor des Physikers Sebastian Weyl von der Columbia University, dessen Experimentiergruppe sich darauf spezialisiert hat, Atome und Moleküle auf Temperaturen zu bringen, die nur Bruchteile eines Grads höher sind. Absoluter Nullpunkt.

Einschreiben NaturDem Weyl Lab ist es mit Unterstützung des theoretischen Mitarbeiters Tijs Karman von der Radboud-Universität in den Niederlanden gelungen, aus Molekülen einen einzigartigen Quantenzustand der Materie zu erzeugen, der als Bose-Einstein-Kondensat (BEC) bezeichnet wird.

Durchbruch bei Bose-Einstein-Kondensaten

Ihr BEC wird auf nur fünf Nanokelvin oder etwa -459,66 Grad Fahrenheit gekühlt, ist bemerkenswert lange zwei Sekunden lang stabil und besteht aus Natrium- und Cäsiummolekülen. Diese Moleküle sind wie Wassermoleküle polar, das heißt, sie tragen sowohl eine positive als auch eine negative Ladung. Weil stellte fest, dass die unausgeglichene Verteilung der elektrischen Ladung die weitreichenden Wechselwirkungen erleichtert, die die interessanteste Physik ausmachen.

Die Forschung, die das Weill-Labor gemeinsam mit Bose-Einstein Molecular vorantreibt, umfasst die Erforschung einer Reihe verschiedener Quantenphänomene, darunter neue Arten von Superfluidität, einem Zustand der Materie, der ohne Reibung fließt. Sie hoffen auch, ihre Bose-Einsteins in Simulatoren umzuwandeln, die die rätselhaften Quanteneigenschaften komplexerer Materialien wie fester Kristalle nachbilden können.

Mit Hilfe von Mikrowellen haben Columbia-Physiker aus Natrium- und Cäsiummolekülen ein Bose-Einstein-Kondensat, einen einzigartigen Aggregatzustand, erzeugt. Bildnachweis: Well Lab, Columbia University/Miles Marshall

„Molekulare Bose-Einstein-Kondensate eröffnen völlig neue Forschungsbereiche, vom wirklichen Verständnis der Grundlagenphysik bis hin zur Entwicklung leistungsstarker Quantensimulationen“, sagte er. „Das ist eine aufregende Leistung, aber eigentlich ist es erst der Anfang.“

Für das Weill Lab ist ein Traum wahr geworden, und für die größere Ultrakälte-Forschungsgemeinschaft ist es ein jahrzehntelanges Projekt.

Ultrakalte Moleküle, ein Jahrhundert in der Entwicklung

Die Wissenschaft der BECs geht ein Jahrhundert auf die Physiker Satyendra Nath Bose und Albert Einstein zurück. In einer Reihe von Veröffentlichungen aus den Jahren 1924 und 1925 sagten sie voraus, dass eine Ansammlung von Teilchen, die nahezu zum Stillstand gekühlt wurden, zu einem einzigen, größeren Atom mit gemeinsamen Eigenschaften und Verhaltensweisen verschmelzen würde, die durch die Gesetze der Quantenmechanik bestimmt würden. Wenn BECs geschaffen werden könnten, würden sie Forschern eine attraktive Plattform bieten, um die Quantenmechanik in einem zugänglicheren Maßstab als bei einzelnen Atomen oder Molekülen zu erforschen.

Seit diesen ersten theoretischen Vorhersagen sind etwa 70 Jahre vergangen, doch die ersten atomaren BECs wurden 1995 geschaffen. Diese Leistung wurde 2001 mit dem Nobelpreis für Physik gewürdigt, etwa zu der Zeit, als Weyl an der Universität Mainz begann, Physik zu studieren. in Deutschland. Labore stellen heute routinemäßig Bose-Einstein-Atome aus verschiedenen Atomarten her. Diese BECs haben unser Verständnis von Konzepten wie der Wellennatur von Materie und Supraflüssigkeiten erweitert und zur Entwicklung von Technologien wie Quantengasmikroskopen und Quantensimulatoren geführt, um nur einige zu nennen.

Von links nach rechts: Associate Research Scientist Ian Stevenson; Doktorand Niccolò Bigagli; Doktorand Weijun Yuan; Universitätsstudent Boris Bulatovich; Doktorand Siwei Zhang; und leitender Ermittler Sebastian Weil. Nicht abgebildet: Tejce Kerman. Bildnachweis: Columbia University

Aber Atome sind im Großen und Ganzen relativ einfach. Sie sind runde Objekte und enthalten in der Regel keine Wechselwirkungen, die durch Polarität entstehen könnten. Seit es die ersten atomaren BECs gab, wollten Wissenschaftler komplexere Versionen von Molekülen herstellen. Aber selbst einfache zweiatomige Moleküle, die aus zwei miteinander verbundenen Atomen verschiedener Elemente bestehen, lassen sich nur schwer unter die Temperatur abkühlen, die zur Bildung eines richtigen BEC erforderlich ist.

Der erste Durchbruch gelang 2008, als Deborah Jin und Jun Yi, Physiker am Gila Institute in Boulder, Colorado, ein Gas aus Kalium- und Rubidiummolekülen auf etwa 350 Nanokelvin abkühlten. Solche ultrakalten Moleküle haben sich in den letzten Jahren als nützlich für die Durchführung von Quantensimulationen, die Untersuchung molekularer Kollisionen und die Quantenchemie erwiesen, aber um die BEC-Schwelle zu überschreiten, waren niedrigere Temperaturen erforderlich.

Im Jahr 2023 gründete er Will’s Lab Das erste extrem kalte Gas des von ihnen gewählten Moleküls Natrium und Cäsium mithilfe einer Kombination aus Laserkühlung und magnetischer Manipulation, ähnlich dem Ansatz von Jin Wei. Um es kühler zu machen, brachten sie Mikrowellen mit.

Innovationen mit der Mikrowelle

Mikrowellen sind eine Form elektromagnetischer Strahlung und haben in Kolumbien eine lange Geschichte. In den 1930er Jahren leistete der Physiker Isidore Isaac Rabi, der später den Nobelpreis für Physik erhielt, Pionierarbeit im Bereich Mikrowellen, die zur Entwicklung luftgestützter Radarsysteme führte. „Rabe war einer der ersten, der die Quantenzustände von Molekülen beherrschte, und war ein Pionier der Mikrowellenforschung“, sagte Weil. „Unser Unternehmen folgt dieser 90-jährigen Tradition.“

Obwohl Sie vielleicht mit der Rolle von Mikrowellen beim Erhitzen Ihrer Lebensmittel vertraut sind, stellt sich heraus, dass sie auch den Abkühlprozess erleichtern können. Einzelne Moleküle neigen dazu, miteinander zu kollidieren und dadurch größere Komplexe zu bilden, die aus den Proben verschwinden. Mikrowellen können winzige Schutzschilde um jedes Molekül bilden und so verhindern, dass sie kollidieren, eine Idee, die von Karman, ihrem Kollegen in den Niederlanden, vorgeschlagen wurde. Da die Moleküle vor verpassten Kollisionen geschützt sind, können nur die heißesten Moleküle bevorzugt aus der Probe entfernt werden. Dabei handelt es sich um dasselbe physikalische Prinzip, das Ihre Kaffeetasse kühlt, wenn Sie darauf pusten, erklärt Autor Niccolò Bigagli. Die verbleibenden Moleküle werden kühler und die Gesamttemperatur der Probe sinkt.

Das Team war im vergangenen Herbst in einer Arbeit, die in veröffentlicht wurde, kurz davor, ein molekulares BEC zu schaffen Naturphysik Dadurch wurde die Mikrowellen-Abschirmmethode eingeführt. Es war jedoch eine weitere experimentelle Entwicklung erforderlich. Als sie ein zweites Mikrowellenfeld hinzufügten, wurde die Kühlung effizienter und das Cäsiumnatrium überschritt schließlich die BEC-Schwelle, ein Ziel, das das Weil Lab seit seiner Eröffnung in Columbia im Jahr 2018 erreicht hat.

„Das war ein großartiger Abschluss für mich“, sagte Bigagli, der im Frühjahr seinen Doktortitel in Physik erlangte und Gründungsmitglied des Labors war. „Wir hatten noch kein Labor und erreichten diese erstaunlichen Ergebnisse.“

Neben der Reduzierung von Kollisionen kann das zweite Mikrowellenfeld auch die Ausrichtung von Molekülen steuern. Dies wiederum ist eine Möglichkeit, ihre Interaktion zu steuern, was das Labor derzeit erforscht. „Durch die Kontrolle dieser Dipolwechselwirkungen hoffen wir, neue Quantenzustände und Phasen der Materie zu schaffen“, sagte Ian Stevenson, Co-Autor und Postdoktorand an der Columbia University.

Eine neue Welt der Quantenphysik eröffnet sich

Yi, ein in Boulder ansässiger Pionier der Ultrakältewissenschaft, hält die Ergebnisse für ein wunderschönes Stück Wissenschaft. „Die Arbeit wird wichtige Auswirkungen auf eine Reihe wissenschaftlicher Bereiche haben, darunter das Studium der Quantenchemie und die Erforschung stark gekoppelter Quantenmaterialien“, kommentierte er. „Weills Experiment ermöglicht die präzise Steuerung molekularer Wechselwirkungen, um das System zum gewünschten Ergebnis zu führen – eine bemerkenswerte Errungenschaft in der Quantenkontrolltechnologie.“

Unterdessen freut sich das Columbia-Team über die experimentelle Validierung einer theoretischen Beschreibung intermolekularer Wechselwirkungen. „Wir haben bereits eine gute Vorstellung von den Wechselwirkungen in diesem System, was auch für nächste Schritte, wie etwa die Erforschung der Physik multipolarer Körper, von entscheidender Bedeutung ist“, sagte Kerman. „Wir haben Schemata zur Kontrolle der Reaktionen entwickelt, sie theoretisch getestet und im Experiment umgesetzt. Es war eine wirklich coole Erfahrung, diese Ideen des Mikrowellen-‚Schutzes‘ im Labor umgesetzt zu sehen.“

Es gibt Dutzende theoretischer Vorhersagen, die jetzt experimentell mit molekularen BECs getestet werden können, von denen Co-Erstautor und Doktorand Siwei Zhang betont, dass sie recht stabil sind. Die meisten ultrakalten Experimente werden innerhalb einer Sekunde durchgeführt, einige dauern nur wenige Millisekunden, aber BEC-Molekülreaktionen im Labor dauern länger als zwei Sekunden. „Damit können wir offene Fragen der Quantenphysik untersuchen“, sagte er.

Eine Idee besteht darin, künstliche Bose-Einstein-Kristalle zu erzeugen, die in einem optischen Gitter aus Lasern gefangen sind. Dies würde leistungsstarke Quantensimulationen ermöglichen, die Wechselwirkungen in natürlichen Kristallen nachahmen, bemerkte Weil, und sei ein Schwerpunktgebiet in der Physik der kondensierten Materie. Quantensimulatoren werden üblicherweise unter Verwendung von Atomen hergestellt, aber Atome haben Wechselwirkungen mit kurzer Reichweite – sie müssen praktisch übereinander liegen – was die Möglichkeiten zur Modellierung komplexerer Materialien einschränkt. „Molekulares BEC wird mehr Geschmack liefern“, sagte Weil.

Dazu gehören Dimensionen, sagte Co-Erstautor und Doktorand Weijun Yuan. „Wir möchten BECs in einem 2D-System verwenden. Wenn Sie von 3D zu 2D wechseln, können Sie davon ausgehen, dass 2D-Materialien ein wichtiger Forschungsbereich an der Columbia University sind BECs könnten Weil und seinen Kollegen dabei helfen, sich intensiv mit der Erforschung von Quantenphänomenen wie Supraleitung, Suprafluidität und mehr zu befassen.

„Es scheint, als würde sich eine ganz neue Welt voller Möglichkeiten eröffnen“, sagte Will.

Referenz: „Beobachtung von Bose-Einstein-Kondensaten von Dipolpartikeln“ von Niccolò Bigagli, Weijun Yuan, Siwei Zhang, Boris Bulatovic, Tess Carman, Ian Stevenson und Sebastian Weyl, 3. Juni 2024, Natur.
doi: 10.1038/s41586-024-07492-z