Bild des molekularen Bose-Einstein-Kondensats. (Kinnlabor) In einem wichtigen Meilenstein der Quantenphysik wurden Tausende von Molekülen dazu gebracht, denselben Quantenzustand zu teilen und gemeinsam wie ein riesiges Supermolekül zu tanzen.
Dies ist ein seit langem angestrebtes Ziel von Physikern, die hoffen, komplexe Quantensysteme für technische Anwendungen nutzbar zu machen – aber eine Gruppe widerspenstiger Moleküle zur Zusammenarbeit zu bringen, ist genauso schwierig wie das Hüten von Katzen.
„Die Leute versuchen das schon seit Jahrzehnten, deshalb sind wir sehr aufgeregt“, sagte der Physiker Cheng Chin von der University of Chicago.
„Ich hoffe, dass dies neue Felder in der Vielteilchen-Quantenchemie eröffnen kann.“ Es gibt Hinweise darauf, dass da draußen viele Entdeckungen auf uns warten.“
Das Konzept, dass viele Teilchen als ein großes Teilchen zusammenarbeiten und ihre Quantenzustände teilen, ist nicht neu. Wir haben es geschafft und jahrzehntelang damit experimentiert, mit Wolken aus einzelnen Atomen in einem Aggregatszustand genannt Bose-Einstein-Kondensat .
Diese werden aus Atomen gebildet, die auf einen Bruchteil über dem absoluten Nullpunkt abgekühlt sind (aber den absoluten Nullpunkt nicht erreichen). Atome hören auf, sich zu bewegen ). Dadurch sinken sie in ihren Zustand mit der niedrigsten Energie und bewegen sich extrem langsam, so dass ihre Energieunterschiede verschwinden, was dazu führt, dass sie sich bei der Quantenüberlagerung überlappen.
Das Ergebnis ist eine hochdichte Atomwolke, die wie ein „Superatom“ oder eine Materiewelle wirkt.
Moleküle bestehen jedoch aus mehreren miteinander verbundenen Atomen und sind daher auf diese Weise viel schwieriger zu zähmen.
„Atome sind einfache kugelförmige Objekte, während Moleküle vibrieren, rotieren und kleine Magnete tragen können.“ Chin erklärte . „Da Moleküle so viele verschiedene Dinge tun können, sind sie dadurch nützlicher und gleichzeitig viel schwieriger zu kontrollieren.“
Um ihr molekulares Bose-Einstein-Kondensat herzustellen, begann das Team unter der Leitung des Physikers Zhendong Zhang von der University of Chicago mit einem atomaren Bose-Einstein-Kondensat unter Verwendung eines Gases aus 60.000 Cäsiumatomen.
Als nächstes kühlten sie das Kondensat noch weiter ab und erhöhten das Magnetfeld so, dass etwa 15 Prozent der Cäsiumatome entfernt wurden kollidierten und miteinander verbunden paarweise, um Diceiummoleküle zu bilden. Die ungebundenen Atome wurden aus der Falle geschleudert und ein Magnetfeldgradient wurde angelegt, um sie schweben zu lassen einschränken die restlichen Moleküle in einer zweidimensionalen Konfiguration.
„Normalerweise wollen sich Moleküle in alle Richtungen bewegen, und wenn man das zulässt, sind sie viel weniger stabil.“ sagte Chin . „Wir haben die Moleküle so begrenzt, dass sie sich auf einer zweidimensionalen Oberfläche befinden und sich nur in zwei Richtungen bewegen können.“
Das resultierende Gas bestand aus Molekülen, von denen die Wissenschaftler herausfanden, dass sie alle denselben Quantenzustand mit denselben Spins, derselben Ausrichtung und derselben Schwingung einnahmen.
Wir müssen noch erforschen, was ein molekulares Bose-Einstein-Kondensat bewirken kann – aber dies ist ein bedeutender Schritt in diese Richtung und bietet eine leere Leinwand für zukünftige Experimente.
Nicht nur für das molekulare Kondensat selbst, sondern auch für den Übergang zwischen atomar und molekular Bose-Einstein-Kondensate . Die Erforschung der Funktionsweise wird Wissenschaftlern dabei helfen, den Prozess zu rationalisieren, sodass wir Kondensate mit anderen Molekülen entwickeln können, die möglicherweise einfacher zu warten oder für verschiedene technologische Anwendungen effizienter sind.
„In der traditionellen Art, über Chemie nachzudenken, stellt man sich ein paar Atome und Moleküle vor, die kollidieren und ein neues Molekül bilden.“ sagte Chin .
„Aber im Quantenregime agieren alle Moleküle gemeinsam, im kollektiven Verhalten.“ Dies eröffnet eine völlig neue Möglichkeit zu erforschen, wie Moleküle alle zusammen reagieren können, um eine neue Art von Molekülen zu bilden.“
Die Forschung des Teams wurde in veröffentlicht Natur .