Os pesquisadores da JILA desenvolveram ferramentas para "ligar" gases quânticos de moléculas ultracold, ganhando controle de interações moleculares de longa distância para aplicações potenciais, como codificação de dados para computação quântica e simulações.

O novo esquema para empurrar um gás molecular para seu estado de energia mais baixo, chamada degenerescência quântica, enquanto a supressão de reações químicas que quebram as moléculas finalmente torna possível explorar estados quânticos exóticos nos quais todas as moléculas interagem umas com as outras.

A pesquisa é descrita na edição de 10 de dezembro da Natureza . JILA é um instituto conjunto do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) e da Universidade de Colorado Boulder.

"As moléculas são sempre celebradas por suas interações de longo alcance, que pode dar origem a física quântica exótica e controle inovador na ciência da informação quântica, "NIST / JILA Fellow Jun Ye disse." No entanto, até agora, ninguém havia descoberto como ativar essas interações de longo alcance em um gás a granel. "

"Agora, tudo isso mudou. Nosso trabalho mostrou pela primeira vez que podemos ligar um campo elétrico para manipular as interações moleculares, faça com que esfriem ainda mais, e começar a explorar a física coletiva onde todas as moléculas estão acopladas umas às outras. "

O novo trabalho segue as muitas conquistas anteriores de Ye com gases quânticos ultracold. Os pesquisadores há muito procuram controlar as moléculas ultracold da mesma forma que podem controlar os átomos. As moléculas oferecem meios adicionais de controle, incluindo polaridade, isto é, cargas elétricas opostas - e muitas vibrações e rotações diferentes.

Os experimentos JILA criaram um gás denso de cerca de 20, 000 moléculas de potássio-rubídio aprisionadas a uma temperatura de 250 nanokelvin acima do zero absoluto (cerca de menos 273 graus Celsius ou menos 459 graus Fahrenheit). Crucialmente, essas moléculas são polares, com carga elétrica positiva no átomo de rubídio e carga negativa no átomo de potássio. As diferenças entre essas cargas positivas e negativas, chamados momentos de dipolo elétrico, fazer com que as moléculas se comportem como pequenos ímãs de bússola sensíveis a certas forças, neste caso, campos elétricos.

Quando o gás é resfriado a quase zero absoluto, as moléculas param de se comportar como partículas e passam a se comportar como ondas que se sobrepõem. As moléculas ficam separadas porque são férmions, uma classe de partículas que não podem estar no mesmo estado quântico e localização ao mesmo tempo e, portanto, se repelem. Mas eles podem interagir a longa distância por meio de suas ondas sobrepostas, momentos dipolo elétricos e outros recursos.

No passado, Os pesquisadores do JILA criaram gases quânticos de moléculas ao manipular um gás contendo os dois tipos de átomos com um campo magnético e lasers. Desta vez, os pesquisadores primeiro carregaram a mistura de átomos gasosos em uma pilha vertical de finos, armadilhas em forma de panqueca formadas de luz laser (chamadas de rede óptica), confinando fortemente os átomos ao longo da direção vertical. Os pesquisadores então usaram campos magnéticos e lasers para unir pares de átomos em moléculas. Os átomos restantes foram aquecidos e removidos por meio do ajuste de um laser para excitar o movimento exclusivo de cada tipo de átomo.

Então, com a nuvem molecular posicionada no centro de um novo conjunto de seis eletrodos formado por duas placas de vidro e quatro hastes de tungstênio, pesquisadores geraram um campo elétrico sintonizável.

O campo elétrico desencadeou interações repulsivas entre as moléculas que estabilizaram o gás, reduzindo colisões inelásticas ("ruins") nas quais as moléculas sofrem uma reação química e escapam da armadilha. Essa técnica aumentou as taxas de interações elásticas ("boas") em mais de cem vezes, enquanto suprimia as reações químicas.

Este ambiente permitiu o resfriamento evaporativo eficiente do gás até uma temperatura abaixo do início da degenerescência quântica. O processo de resfriamento removeu as moléculas mais quentes da armadilha da rede e permitiu que as moléculas restantes se ajustassem a uma temperatura mais baixa por meio das colisões elásticas. Ligar lentamente um campo elétrico horizontal ao longo de centenas de milissegundos reduziu a força da armadilha em uma direção, tempo suficiente para que as moléculas quentes escapem e as moléculas restantes esfriem. No final deste processo, as moléculas voltaram ao seu estado mais estável, mas agora em um gás mais denso.

O novo método JILA pode ser aplicado para produzir gases ultracold de outros tipos de moléculas polares.

Gases moleculares ultracold podem ter muitos usos práticos, incluindo novos métodos para computação quântica usando moléculas polares como bits quânticos; simulações e melhor compreensão de fenômenos quânticos, como magnetorresistência colossal (para armazenamento e processamento de dados aprimorados) e supercondutividade (para transmissão de energia elétrica perfeitamente eficiente); e novas ferramentas para medição de precisão, como relógios moleculares ou sistemas moleculares que permitem pesquisas por novas teorias da física.