As moléculas poliatômicas criadas neste novo estudo são compostas por mais de dois átomos e foram resfriadas com sucesso até 134 nanokelvin – mais de 3.000 vezes mais frias que a temperatura das moléculas tetratômicas criadas anteriormente. Esta conquista não é apenas um feito novo na física molecular, mas também um avanço significativo no estudo da matéria ultrafria exótica. A pesquisa foi publicada na Nature .
Cerca de duas décadas atrás, o físico teórico americano John Bohn e seus colegas previram um novo tipo de ligação entre moléculas polares:se as moléculas carregam uma carga distribuída assimetricamente – o que os físicos chamam de polaridade – elas podem se combinar em um campo elétrico para formar “supermoléculas” fracamente ligadas. ."
O comportamento destas moléculas polares pode ser pensado como agulhas de bússola dentro de uma casca dura. Quando aproximadas, as agulhas da bússola experimentam uma atração que é mais forte do que o campo magnético da Terra e apontam uma para a outra em vez de se alinharem ao norte.
Um fenômeno semelhante pode ser observado com moléculas polares, que sob condições específicas, podem formar um estado ligado único através de forças elétricas. O vínculo deles lembra um pouco um casal dançando abraçados com força e, ao mesmo tempo, mantendo constantemente uma certa distância.
O estado ligado das supermoléculas é muito mais fraco do que as ligações químicas típicas, mas ao mesmo tempo tem um alcance muito mais longo. As supermoléculas compartilham um comprimento de ligação em distâncias centenas de vezes maiores do que as moléculas normalmente ligadas.
Devido a esta natureza de longo alcance, tais supermoléculas são altamente sensíveis:se os parâmetros do campo eléctrico forem alterados apenas um pouco num valor crítico, as forças entre as moléculas mudam dramaticamente - um fenómeno referido como "ressonância ligada ao campo". " Isso permite que os pesquisadores variem com flexibilidade a forma e o tamanho das moléculas com um campo de micro-ondas.
Uma peça em três partes:Das moléculas diatômicas às tetratômicas
As moléculas poliatômicas Ultracold contêm uma rica estrutura interna que oferece novas possibilidades interessantes em química fria, medições de precisão e processamento de informações quânticas. No entanto, a sua alta complexidade em comparação com moléculas diatômicas representa um grande desafio ao emprego de técnicas convencionais de resfriamento, como o resfriamento direto a laser e o resfriamento evaporativo.
Pesquisadores do "NaK Lab" (laboratório de sódio e potássio) do MPQ, liderados pelo Dr. Xin-Yu Luo, Dr. Timon Hilker e Prof. -descobertas publicadas nos últimos anos, que foram cruciais para finalmente superar este desafio.
Primeiro, em 2021, os investigadores deste laboratório inventaram uma nova técnica de arrefecimento para moléculas polares utilizando um campo de micro-ondas rotativo de alta potência e, assim, estabeleceram um novo recorde de baixa temperatura:21 bilionésimos de grau acima do zero absoluto, a menos 273,15 graus Celsius.
Um ano depois, os pesquisadores conseguiram criar as condições necessárias para observar pela primeira vez a assinatura de ligação entre essas moléculas em experimentos de espalhamento. Isto forneceu a primeira evidência indireta da existência dessas construções exóticas teoricamente previstas há muito tempo.
Agora, há até evidências diretas de que os pesquisadores conseguiram criar e estabilizar essas supermoléculas em seu experimento. A imagem dessas "supermoléculas" revelou sua simetria de onda p - uma característica única que é crucial na realização de materiais quânticos topológicos, que por sua vez pode ser relevante para a computação quântica tolerante a falhas.
“Esta pesquisa terá implicações imediatas e de longo alcance”, diz Xing-Yan Chen, Ph.D. Candidato e primeiro autor do artigo. "Como o método é aplicável a uma ampla gama de espécies moleculares, ele permite explorar uma variedade muito maior de moléculas poliatômicas ultrafrias. No futuro, poderia permitir a criação de moléculas ainda maiores e de vida mais longa, que seriam especificamente interessantes para precisão. metrologia ou química quântica."
“Chegamos a essas descobertas graças também à nossa estreita colaboração com o Prof. Tao Shi e sua equipe do CAS”, acrescenta o Dr. Luo, o investigador principal do experimento. "Nosso próximo objetivo é resfriar ainda mais essas 'supermoléculas' bosônicas para formar um condensado de Bose-Einstein (BEC), onde as moléculas se movem juntas coletivamente. Essa perspectiva contém um potencial importante para nossa compreensão fundamental da física quântica. O que é mais surpreendente é que por simplesmente ajustando um campo de microondas, um BEC de 'supermoléculas' pode se transformar em um novo fluido quântico de moléculas fermiônicas preservando a simetria especial da onda p."
Mais informações: Xing-Yan Chen et al, Moléculas tetratômicas ligadas ao campo Ultracold, Natureza (2024). DOI:10.1038/s41586-023-06986-6 Informações do diário: Natureza
