Физики объединили тысячи молекул в единое квантовое состояние

Физики давно стремятся использовать сложные квантовые системы для технологических приложений, но заставить кучу неуправляемых молекул работать вместе - такая же трудность, как и пасти кошек.

"Люди пытались сделать это на протяжении десятилетий, поэтому мы очень взволнованы", - сказал физик Ченг Чин из Чикагского университета.

"Я надеюсь, что это может открыть новые области в квантовой химии многих тел. Есть свидетельства того, что впереди еще много открытий".

Концепция множества частиц, действующих вместе как одна большая частица, разделяющих свои квантовые состояния, не нова. Мы достигли этого и десятилетиями экспериментировали с облаками отдельных атомов в состоянии вещества, которое называется конденсатом Бозе-Эйнштейна.

Они образованы из атомов, охлажденных до доли выше абсолютного нуля (но не до абсолютного нуля, когда атомы перестают двигаться). Это заставляет их опускаться до состояния с самой низкой энергией, перемещаясь чрезвычайно медленно, так что их энергетические различия исчезают, что приводит к их перекрытию в квантовой суперпозиции.

В результате получается облако атомов с высокой плотностью, которое действует как один "суператом" или материальная волна. Однако молекулы состоят из множества связанных вместе атомов, и поэтому их намного труднее приручить.

"Атомы - это простые сферические объекты, тогда как молекулы могут вибрировать, вращаться, нести небольшие магниты", - объяснил Чин. "Поскольку молекулы могут делать так много разных вещей, это делает их более полезными и в то же время намного сложнее контролировать".

Чтобы создать свой молекулярный конденсат Бозе-Эйнштейна, команда под руководством физика Чжендуна Чжана из Чикагского университета начала с атомного конденсата Бозе-Эйнштейна, используя газ из 60 000 атомов цезия.

Затем они охладили конденсат еще больше и увеличили магнитное поле так, что около 15 процентов атомов цезия столкнулись и попарно связались, образуя молекулы декезия. Несвязанные атомы были выброшены из ловушки, и был применен градиент магнитного поля, чтобы левитировать и удерживать оставшиеся молекулы в двумерной конфигурации.

"Как правило, молекулы хотят двигаться во всех направлениях, и если вы это допустите, они будут гораздо менее стабильными", - сказал Чин. "Мы ограничили молекулы так, чтобы они находились на двумерной поверхности и могли двигаться только в двух направлениях".

Образовавшийся газ состоял из молекул, которые, как выяснили ученые, находились в одном квантовом состоянии, с одинаковыми спинами, ориентацией и вибрацией.

Нам еще предстоит изучить, на что способен молекулярный конденсат Бозе-Эйнштейна, но это значительный шаг в этом направлении, предоставляющий пустую основу для будущих экспериментов.

Не только для самого молекулярного конденсата, но и для перехода между атомарным и молекулярным конденсатами Бозе-Эйнштейна. Изучение того, как это работает, поможет ученым упростить процесс, чтобы мы могли создавать конденсаты с другими молекулами, которые, возможно, будет проще поддерживать или которые будут более эффективными для различных технологических приложений.

"В традиционном понимании химии вы думаете о нескольких атомах и молекулах, которые сталкиваются и образуют новую молекулу", - сказал Чин.

"Но в квантовом режиме все молекулы действуют вместе, в коллективном поведении. Это открывает совершенно новый способ изучения того, как все молекулы могут реагировать вместе, чтобы стать молекулами нового типа".