科学家利用分子进入单量子态-可能打开量子化学的新领域yabovip2021

分子玻色-爱因斯坦凝聚态

分子成功聚集成玻色-爱因斯坦凝聚态的图像。信贷:下巴实验室

这一发现可能为量子化学和技术开辟新的领域。yabovip2021

研究人员对量子技术的潜力有很大的想法,从不可破解的网络到地震传感器。但所有这些都取决于一项重大的技术成就:能够建造和控制量子粒子系统,而量子粒子是宇宙中最小的物体之一。

随着一种新方法的发表,这个目标离实现又近了一步芝加哥大学科学家。今天(2021年4月28日)出版自然这篇论文展示了如何让多个分子同时进入一个量子态——这是量子物理学最重要的目标之一。

“几十年来,人们一直在尝试这样做,所以我们非常兴奋,”资深作者、芝加哥大学物理学教授陈金(Cheng Chin)说。陈金说,他在上世纪90年代还是一名研究生时就想实现这一目标。“我希望这能在多体量子化学中开辟新的领域。yabovip2021有证据表明,还有很多发现等着我们去发现。”

物质的一种基本状态被称为玻色-爱因斯坦凝聚态:当一组粒子冷却到接近绝对零度共享一个量子态,整个群体的行为就像一个个体一样原子。这有点像让整个乐队在演奏时步调一致——很难做到,但当它发生时,一个全新的可能性世界就会打开。

几十年来,科学家们已经能够用原子来做这件事,但他们真正想做的是能够用分子来做。这样的突破可以作为许多形式的量子技术的基础。

但是由于分子比原子大,有更多的运动部件,大多数利用分子的尝试都陷入了混乱。“原子是简单的球形物体,而分子可以振动,旋转,携带小磁铁,”Chin说。“因为分子可以做很多不同的事情,这让它们更有用,同时也更难控制。”

Chin的团队希望利用实验室最近提供的一些新功能。去年,他们开始试验增加两个条件。

第一种方法是进一步冷却整个系统——降到10毫开尔文,比绝对零度高一点点。然后他们把这些分子塞进一个狭小的空间,这样它们就被钉平了。Chin说:“通常情况下,分子会向各个方向运动,如果你允许的话,它们就不那么稳定了。”“我们限制了分子,使它们在二维表面上,只能向两个方向移动。”

结果是一组几乎完全相同的分子——以完全相同的方向排列,相同的振动频率,处于相同的量子态。

科学家们将这种分子凝聚态描述为量子工程的一张原始的新画纸。“这绝对是一个理想的起点,”Chin说。“例如,如果你想建立量子系统来保存信息,在格式化和存储这些信息之前,你需要一张白纸。”

到目前为止,他们已经能够将几千个分子以这种状态连接在一起,并开始探索其潜力。

“在传统的化学思维方式中,你认为几个原子和分子碰撞,形成一个新的分子,”Chiyabovip2021n说。“但在量子状态下,所有分子共同作用,集体行为。这开启了一种全新的方式来探索分子如何共同反应成为一种新的分子。

“从我还是学生的时候起,这就是我的目标,”他补充说,“所以我们对这个结果非常、非常高兴。”

参考文献:“原子玻色-爱因斯坦凝聚态到分子玻色-爱因斯坦凝聚态转变”,作者:张、陈、姚、陈,2021年4月28日,自然
DOI: 10.1038 / s41586 - 021 - 03443 - 0

该研究的第一作者是研究生张振东;另外两位作者分别是山西大学的陈良超(前芝加哥大学访问学者)和研究生姚凯旋。

资助:美国国家科学基金会、陆军研究室、芝加哥大学材料研究科学与工程中心。

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