اولین ابرمولکول های چهار اتمی در دمای نانوکلوین کشف شدند

تیمی از آزمایش‌گران در موسسه ماکس پلانک برای اپتیک کوانتومی (MPQ) و نظریه‌پردازان آکادمی علوم چین (CAS) برای اولین بار موفق به ساکن شدن و تثبیت نوع جدیدی از مولکول، به اصطلاح مولکول‌های چهاراتمی محدود به میدان شدند. . این “ابر مولکول ها” آنقدر شکننده هستند که فقط در دماهای بسیار پایین می توانند وجود داشته باشند. وجود آنها مدتهاست که مشکوک بوده است، اما هرگز به طور تجربی ثابت نشده است – تا کنون.

مولکول‌های چند اتمی ایجاد شده در این تحقیق جدید از بیش از دو اتم تشکیل شده‌اند و با موفقیت تا 134 نانوکلوین خنک شده‌اند که بیش از 3000 برابر سردتر از دمای مولکول‌های چهار اتمی قبلی است. این دستاورد نه تنها یک دستاورد جدید در فیزیک مولکولی است، بلکه یک گام مهم رو به جلو در مطالعه ماده فوق سرد عجیب و غریب است. تحقیق این است منتشر شده که در طبیعت.

حدود دو دهه پیش، فیزیکدان نظری آمریکایی جان بون و همکارانش نوع جدیدی از پیوند بین مولکول‌های قطبی را پیش‌بینی کردند: اگر مولکول‌ها حامل بار نامتقارن توزیع شده باشند – چیزی که فیزیکدانان قطبیت می‌نامند – می‌توانند با یکدیگر ترکیب شوند. میدان الکتریکی برای تشکیل «ابر مولکول‌هایی» که با هم پیوند آزاد دارند.

رفتار این مولکول های قطبی را می توان مانند سوزن های قطب نما در یک پوسته سخت در نظر گرفت. هنگامی که آنها به یکدیگر نزدیک می شوند، سوزن های قطب نما کششی قوی تر از میدان مغناطیسی زمین را تجربه می کنند و به جای شمال به سمت یکدیگر نشانه می روند.

پدیده مشابهی را می توان در مولکول های قطبی مشاهده کرد که تحت شرایط خاصی می توانند یک حالت محدود منحصر به فرد از طریق نیروهای الکتریکی ایجاد کنند. رابطه آنها تا حدودی یادآور یک زوج رقصنده است که یکدیگر را محکم در آغوش می گیرند و در عین حال دائماً فاصله خاصی را حفظ می کنند.

حالت پیوندی ابر مولکول‌ها بسیار ضعیف‌تر از پیوندهای شیمیایی معمولی است، اما در عین حال دامنه آن بسیار طولانی‌تر است. ابرمولکول‌ها در فواصل چند صد برابر طولانی‌تر از مولکول‌های معمولی پیوند دارند.

به دلیل این طبیعت دوربرد، چنین ابرمولکول هایی بسیار حساس هستند: اگر پارامترهای میدان الکتریکی فقط کمی در یک مقدار بحرانی تغییر کنند، نیروهای بین مولکول ها به طور چشمگیری تغییر می کنند – پدیده ای به نام “رزونانس همراه با میدان”. این به محققان اجازه می دهد تا شکل و اندازه مولکول ها را با یک میدان مایکروویو به طور انعطاف پذیر تغییر دهند.

بازی در سه بخش: از مولکول های دو اتمی تا چهار اتمی

مولکول های چند اتمی فوق سرد حاوی ساختار داخلی غنی هستند که امکانات جدید هیجان انگیزی را در شیمی سرد، اندازه گیری های دقیق و پردازش اطلاعات کوانتومی. با این حال، پیچیدگی بالای آنها در مقایسه با مولکول‌های دو اتمی، چالش بزرگی برای استفاده از تکنیک‌های خنک‌کننده معمولی مانند خنک‌سازی مستقیم لیزری و خنک‌سازی تبخیری است.

محققان در “آزمایشگاه NaK” (آزمایشگاه سدیم پتاسیم) در MPQ، به رهبری دکتر شین یو لو، دکتر تیمون هیلکر و پروفسور ایمانوئل بلوخ، به یک سری دستاوردهای پیشگام دست یافتند. طبیعت– اکتشافات منتشر شده در سال های اخیر که برای غلبه بر این چالش بسیار مهم بودند.

ابتدا، در سال 2021، محققان این آزمایشگاه یک اختراع کردند تکنیک خنک کننده جدید برای مولکول های قطبی با استفاده از یک میدان مایکروویو دوار با قدرت بالا و در نتیجه رکورد جدید دمای پایین را ثبت کرد: 21 میلیاردم درجه بالای صفر مطلق در منفی 273.15 درجه سانتیگراد.

یک سال بعد، محققان توانستند برای اولین بار شرایط لازم را برای مشاهده امضای اتصال بین این مولکول ها در آزمایش های پراکندگی ایجاد کنند. که تضمین کرد اولین شواهد غیرمستقیم برای وجود این ساختارهای عجیب و غریب که از نظر تئوری مدت‌ها پیش‌بینی شده بود.

اکنون حتی شواهد مستقیمی نیز وجود دارد، زیرا محققان توانستند این ابرمولکول ها را در آزمایش خود ایجاد و تثبیت کنند. تصویربرداری از این “ابر مولکول ها” تقارن موج p آنها را نشان می دهد، ویژگی منحصر به فردی که برای تحقق مواد کوانتومی توپولوژیکی حیاتی است، که به نوبه خود ممکن است مربوط به محاسبات کوانتومی مقاوم به خطا باشد.

Xing-Yan Chen، Ph.D. می گوید: «این تحقیق پیامدهای فوری و گسترده ای خواهد داشت. نامزد و نویسنده اول مقاله. از آنجایی که این روش برای طیف گسترده‌ای از گونه‌های مولکولی قابل استفاده است، امکان مطالعه طیف وسیع‌تری از مولکول‌های چند اتمی فوق سرد را فراهم می‌کند. در آینده ممکن است امکان ایجاد مولکول‌های بزرگ‌تر و طولانی‌تر را فراهم کند، که مخصوصا برای مترولوژی دقیق یا شیمی کوانتومی جالب است.”

دکتر لو، محقق اصلی این آزمایش، می‌افزاید: «ما همچنین به لطف همکاری نزدیک خود با پروفسور تائو شی و تیمش در CAS به این یافته‌ها رسیدیم. هدف بعدی ما سرد کردن بیشتر این ابر مولکول‌های بوزونی برای تشکیل یک میعانات بوز-انیشتین (BEC) است که در آن مولکول‌ها به طور جمعی با هم حرکت می‌کنند. این دیدگاه پتانسیل مهمی برای درک بنیادی ما از فیزیک کوانتومی دارد. شگفت‌انگیزتر، با تنظیم یک میدان مایکروویو، یک BEC از «ابر مولکول‌ها» می‌تواند به مایع کوانتومی جدیدی از مولکول‌های فرمیونی تبدیل شود و تقارن موج p خاص را حفظ کند.