Les chercheurs de la JILA ont fait une longue vie, gaz record de molécules qui suivent les modèles d'ondes de la mécanique quantique au lieu de la nature strictement particulaire de la physique classique ordinaire. La création de ce gaz augmente les chances de progrès dans des domaines tels que la chimie des concepteurs et l'informatique quantique.

Comme présenté sur la couverture du numéro du 22 février de Science , l'équipe a produit un gaz de molécules de potassium-rubidium (KRb) à des températures aussi basses que 50 nanokelvin (nK). C'est 50 milliardièmes de Kelvin, ou juste un peu au-dessus du zéro absolu, la température la plus basse théoriquement possible. Les molécules sont dans les états d'énergie les plus bas possibles, constituant ce que l'on appelle un gaz de Fermi dégénéré.

Dans un gaz quantique, toutes les propriétés des molécules sont restreintes à des valeurs spécifiques, ou quantifié, comme des barreaux sur une échelle ou des notes sur une échelle musicale. Refroidir le gaz aux températures les plus basses donne aux chercheurs un contrôle maximal sur les molécules. Les deux atomes impliqués appartiennent à des classes différentes :le potassium est un fermion (avec un nombre impair de composants subatomiques appelés protons et neutrons) et le rubidium est un boson (avec un nombre pair de composants subatomiques). Les molécules résultantes ont un caractère Fermi.

JILA est géré conjointement par le National Institute of Standards and Technology (NIST) et l'Université du Colorado Boulder. Les chercheurs du NIST au JILA travaillent depuis des années pour comprendre et contrôler les molécules ultrafroides, qui sont plus complexes que les atomes parce qu'ils ont non seulement de nombreux niveaux d'énergie internes mais aussi tournent et vibrent. L'équipe JILA a fabriqué son premier gaz moléculaire il y a 10 ans.

« Les techniques de base pour fabriquer le gaz sont les mêmes que celles que nous avons utilisées auparavant, mais nous avons quelques nouvelles astuces telles que l'amélioration significative du refroidissement des atomes, créer plus d'entre eux dans l'état d'énergie la plus basse, " Jun Ye, membre du NIST/JILA, a déclaré. " Cela se traduit par une efficacité de conversion plus élevée, ce qui nous permet d'obtenir plus de molécules. "

L'équipe JILA en a produit 100, 000 molécules à 250 nK et jusqu'à 25, 000 molécules à 50 nK.

Avant maintenant, les molécules à deux atomes les plus froides ont été produites en nombre maximum de dizaines de milliers et à des températures non inférieures à quelques centaines de nanoKelvin. Le dernier record de température du gaz du JILA est bien inférieur (environ un tiers) au niveau où les effets quantiques commencent à prendre le relais des effets classiques, et les molécules durent quelques secondes - longévité remarquable, Vous avez dit.

Le nouveau gaz est le premier à devenir suffisamment froid et dense pour que les ondes de matière de ces molécules soient plus longues que les distances entre elles, en les faisant se chevaucher pour créer une nouvelle entité. Les scientifiques appellent cela la dégénérescence quantique. (La matière quantique peut se comporter comme des particules ou des ondes de matière, C'est, formes d'onde de la probabilité de localisation d'une particule).

La dégénérescence quantique signifie également une augmentation de la répulsion entre les particules fermioniques, qui ont tendance à être des solitaires de toute façon, résultant en moins de réactions chimiques et un gaz plus stable. Il s'agit de la première expérience dans laquelle des scientifiques ont observé des effets quantiques collectifs affectant directement la chimie de molécules individuelles, Vous avez dit.

"C'est le premier gaz dégénéré quantique de molécules stables en vrac, et les réactions chimiques sont supprimées - un résultat que personne n'avait prédit, " Tu as dit.

Les molécules créées dans cette expérience sont appelées molécules polaires car elles ont une charge électrique positive sur l'atome de rubidium et une charge négative sur l'atome de potassium. Leurs interactions varient selon la direction et peuvent être contrôlées avec des champs électriques. Les molécules polaires offrent ainsi plus accordable, interactions plus fortes et "boutons" de contrôle supplémentaires par rapport aux particules neutres.

Ces nouvelles températures ultra basses permettront aux chercheurs de comparer les réactions chimiques dans les environnements quantiques par rapport aux environnements classiques et d'étudier comment les champs électriques affectent les interactions polaires. Les avantages pratiques éventuels pourraient inclure de nouveaux procédés chimiques, de nouvelles méthodes de calcul quantique utilisant des molécules chargées comme bits quantiques, et de nouveaux outils de mesure de précision tels que les horloges moléculaires.

Le processus de fabrication des molécules commence par un mélange gazeux d'atomes de potassium et de rubidium très froids confinés par un faisceau laser. En balayant un champ magnétique réglé avec précision à travers les atomes, les scientifiques créent de grandes, molécules faiblement liées contenant un atome de chaque type. Cette technique a été mise au point par le collègue de Ye, feu Deborah Jin, lors de sa démonstration en 2003 du premier condensat de Fermi au monde.

Pour convertir ces molécules relativement pelucheuses en molécules étroitement liées sans chauffer le gaz, les scientifiques utilisent deux lasers fonctionnant à des fréquences différentes, chacun résonnant avec un saut d'énergie différent dans les molécules, pour convertir l'énergie de liaison en lumière au lieu de chaleur. Les molécules absorbent la lumière laser proche infrarouge et libèrent de la lumière rouge. Dans le processus, 90 pour cent des molécules sont converties par un état d'énergie intermédiaire, au niveau d'énergie le plus bas et le plus stable.