Os pesquisadores da JILA fizeram uma longa vida, gás frio de registro de moléculas que seguem os padrões de onda da mecânica quântica em vez da natureza estritamente de partícula da física clássica comum. A criação desse gás aumenta as chances de avanços em campos como a química do designer e a computação quântica.

Conforme destaque na capa da edição de 22 de fevereiro da Ciência , a equipe produziu um gás de moléculas de potássio-rubídio (KRb) em temperaturas tão baixas quanto 50 nanokelvin (nK). Isso é 50 bilionésimos de Kelvin, ou apenas um pouquinho acima do zero absoluto, a temperatura mais baixa teoricamente possível. As moléculas estão nos estados de energia mais baixos possíveis, constituindo o que é conhecido como gás de Fermi degenerado.

Em um gás quântico, todas as propriedades das moléculas são restritas a valores específicos, ou quantizado, como degraus em uma escada ou notas em uma escala musical. Resfriar o gás às temperaturas mais baixas dá aos pesquisadores o controle máximo sobre as moléculas. Os dois átomos envolvidos estão em classes diferentes:o potássio é um férmion (com um número ímpar de componentes subatômicos chamados prótons e nêutrons) e o rubídio é um bóson (com um número par de componentes subatômicos). As moléculas resultantes têm um caráter de Fermi.

A JILA é operada em conjunto pelo Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) e pela Universidade de Colorado Boulder. Os pesquisadores do NIST na JILA vêm trabalhando há anos para entender e controlar as moléculas ultracold, que são mais complexos do que os átomos porque eles não apenas têm muitos níveis de energia interna, mas também giram e vibram. A equipe JILA produziu seu primeiro gás molecular há 10 anos.

"As técnicas básicas para fazer o gás são as mesmas que usamos antes, mas temos alguns novos truques, como melhorar significativamente o resfriamento dos átomos, criando mais deles no estado de menor energia, "NIST / JILA Fellow Jun Ye disse." Isso resulta em uma maior eficiência de conversão, portanto, obtemos mais moléculas. "

A equipe JILA produziu 100, 000 moléculas a 250 nK e até 25, 000 moléculas a 50 nK.

Até agora, as moléculas de dois átomos mais frias foram produzidas em números máximos de dezenas de milhares e a temperaturas não inferiores a algumas centenas de nanoKelvin. O registro mais recente da temperatura do gás da JILA é muito mais baixo do que (cerca de um terço) do nível em que os efeitos quânticos começam a substituir os efeitos clássicos, e as moléculas duram alguns segundos - longevidade notável, Ye disse.

O novo gás é o primeiro a ficar frio e denso o suficiente para que as ondas de matéria dessas moléculas sejam maiores do que as distâncias entre elas, fazendo com que eles se sobreponham para criar uma nova entidade. Os cientistas chamam isso de degeneração quântica. (A matéria quântica pode se comportar como partículas ou ondas de matéria, isso é, padrões de forma de onda da probabilidade de localização de uma partícula).

A degenerescência quântica também significa um aumento na repulsão entre as partículas fermiônicas, que tendem a ser solitários de qualquer maneira, resultando em menos reações químicas e um gás mais estável. Este é o primeiro experimento em que os cientistas observaram efeitos quânticos coletivos afetando diretamente a química de moléculas individuais, Ye disse.

"Este é o primeiro gás quântico degenerado de moléculas estáveis ​​em massa, e as reações químicas são suprimidas - um resultado que ninguém havia previsto, "Ye disse.

As moléculas criadas neste experimento são chamadas de moléculas polares porque têm uma carga elétrica positiva no átomo de rubídio e uma carga negativa no átomo de potássio. Suas interações variam de acordo com a direção e podem ser controladas com campos elétricos. As moléculas polares, portanto, oferecem mais sintonizáveis, interações mais fortes e "botões" de controle adicionais em comparação com partículas neutras.

Essas novas temperaturas ultrabaixas permitirão aos pesquisadores comparar as reações químicas em ambientes quânticos versus clássicos e estudar como os campos elétricos afetam as interações polares. Eventuais benefícios práticos podem incluir novos processos químicos, novos métodos para computação quântica usando moléculas carregadas como bits quânticos, e novas ferramentas de medição de precisão, como relógios moleculares.

O processo de fabricação das moléculas começa com uma mistura de gases de átomos muito frios de potássio e rubídio confinados por um feixe de laser. Ao varrer um campo magnético precisamente ajustado entre os átomos, cientistas criam grandes, moléculas fracamente ligadas contendo um átomo de cada tipo. Esta técnica foi desenvolvida pelo colega de Ye, a falecida Deborah Jin, em sua demonstração de 2003 do primeiro condensado Fermi do mundo.

Para converter essas moléculas relativamente fofas em moléculas fortemente ligadas sem aquecer o gás, os cientistas usam dois lasers operando em frequências diferentes - cada um ressoando com um salto de energia diferente nas moléculas - para converter a energia de ligação em luz em vez de calor. As moléculas absorvem a luz do laser próximo ao infravermelho e liberam luz vermelha. No processo, 90 por cento das moléculas são convertidas por meio de um estado de energia intermediário, para o nível de energia mais baixo e estável.