Los investigadores de JILA han desarrollado herramientas para "encender" los gases cuánticos de moléculas ultrafrías, obteniendo el control de las interacciones moleculares de larga distancia para aplicaciones potenciales como la codificación de datos para simulaciones y computación cuántica.
El nuevo esquema para empujar un gas molecular hacia su estado de energía más bajo, llamado degeneración cuántica, mientras que suprime las reacciones químicas que rompen las moléculas finalmente hace posible explorar estados cuánticos exóticos en los que todas las moléculas interactúan entre sí.
La investigación se describe en la edición del 10 de diciembre de Naturaleza . JILA es un instituto conjunto del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología NIST y la Universidad de Colorado Boulder.
"Las moléculas siempre se celebran por sus interacciones de largo alcance, que pueden dar lugar a una física cuántica exótica y un control novedoso en la ciencia de la información cuántica", dijo Jun Ye, miembro de NIST / JILA. Sin embargo, hasta ahora, nadie había descubierto cómopara activar estas interacciones de largo alcance en un gas a granel ".
"Ahora, todo esto ha cambiado. Nuestro trabajo mostró por primera vez que podemos encender un campo eléctrico para manipular interacciones moleculares, hacer que se enfríen más y comenzar a explorar la física colectiva donde todas las moléculas están acopladas a cadaotro."
El nuevo trabajo sigue los muchos logros anteriores de Ye con gases cuánticos ultrafríos. Los investigadores han buscado durante mucho tiempo controlar las moléculas ultrafrías de la misma manera que pueden controlar los átomos. Las moléculas ofrecen medios adicionales de control, incluida la polaridad, es decir, oponersecargas - y muchas vibraciones y rotaciones diferentes.
Los experimentos de JILA crearon un gas denso de aproximadamente 20.000 moléculas de potasio-rubidio atrapadas a una temperatura de 250 nanokelvin por encima del cero absoluto aproximadamente menos 273 grados Celsius o menos 459 grados Fahrenheit. Fundamentalmente, estas moléculas son polares, con una potencia eléctrica positiva.carga en el átomo de rubidio y una carga negativa en el átomo de potasio. Las diferencias entre estas cargas positivas y negativas, llamadas momentos dipolares eléctricos, hacen que las moléculas se comporten como pequeños imanes de brújula sensibles a ciertas fuerzas, en este caso campos eléctricos.
Cuando el gas se enfría a cerca del cero absoluto, las moléculas dejan de comportarse como partículas y en su lugar se comportan como ondas que se superponen. Las moléculas permanecen separadas porque son fermiones, una clase de partículas que no pueden estar en el mismo estado cuántico y ubicación enal mismo tiempo y, por lo tanto, se repelen entre sí. Pero pueden interactuar a gran distancia a través de sus ondas superpuestas, momentos dipolares eléctricos y otras características.
En el pasado, los investigadores de JILA crearon gases cuánticos de moléculas manipulando un gas que contiene ambos tipos de átomos con un campo magnético y láseres. Esta vez, los investigadores primero cargaron la mezcla de átomos gaseosos en una pila vertical de delgados, en forma de panquequetrampas formadas a partir de luz láser llamada red óptica, que confina firmemente los átomos a lo largo de la dirección vertical. Luego, los investigadores usaron campos magnéticos y láseres para unir pares de átomos en moléculas. Los átomos sobrantes se calentaron y eliminaron sintonizando un láser para excitar el movimientoúnico para cada tipo de átomo.
Luego, con la nube molecular colocada en el centro de un nuevo conjunto de seis electrodos formado por dos placas de vidrio y cuatro varillas de tungsteno, los investigadores generaron un campo eléctrico sintonizable.
El campo eléctrico desencadena interacciones repulsivas entre las moléculas que estabilizan el gas, reduciendo las colisiones inelásticas "malas" en las que las moléculas experimentan una reacción química y escapan de la trampa. Esta técnica incrementó las tasas de elasticidad "buena"interacciones más de cien veces mientras se suprimen las reacciones químicas.
Este entorno permitió un enfriamiento evaporativo eficiente del gas hasta una temperatura por debajo del inicio de la degeneración cuántica. El proceso de enfriamiento eliminó las moléculas más calientes de la trampa de celosía y permitió que las moléculas restantes se ajustaran a una temperatura más baja a través de las colisiones elásticas. Lentamenteencender un campo eléctrico horizontal durante cientos de milisegundos redujo la fuerza de la trampa en una dirección, el tiempo suficiente para que las moléculas calientes escapen y las moléculas restantes se enfríen. Al final de este proceso, las moléculas volvieron a su estado más estable, pero ahoraen un gas más denso.
El nuevo método JILA se puede aplicar para producir gases ultrafríos a partir de otros tipos de moléculas polares.
Los gases moleculares ultrafríos pueden tener muchos usos prácticos, incluidos nuevos métodos para la computación cuántica que utilizan moléculas polares como bits cuánticos; simulaciones y una mejor comprensión de los fenómenos cuánticos, como la magnetorresistencia colosal para mejorar el almacenamiento y procesamiento de datos y la superconductividad para obtener energía eléctrica perfectamente eficientetransmisión de potencia; y nuevas herramientas de medición de precisión como relojes moleculares o sistemas moleculares que permiten la búsqueda de nuevas teorías de la física.
El financiamiento fue proporcionado por NIST, la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa, la Oficina de Investigación del Ejército y la Fundación Nacional de Ciencias.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto Nacional de Estándares y Tecnología NIST . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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