Les chercheurs du JILA ont développé des outils pour « allumer » les gaz quantiques de molécules ultrafroides, prendre le contrôle des interactions moléculaires à longue distance pour des applications potentielles telles que le codage de données pour l'informatique quantique et les simulations.

Le nouveau schéma pour pousser un gaz moléculaire à son état d'énergie le plus bas, appelée dégénérescence quantique, tout en supprimant les réactions chimiques qui brisent les molécules permet enfin d'explorer des états quantiques exotiques dans lesquels toutes les molécules interagissent entre elles.

La recherche est décrite dans le numéro du 10 décembre de La nature . JILA est un institut conjoint du National Institute of Standards and Technology (NIST) et de l'Université du Colorado Boulder.

"Les molécules sont toujours célébrées pour leurs interactions à longue distance, qui peut donner lieu à une physique quantique exotique et à un nouveau contrôle en science de l'information quantique, " Jun Ye, membre du NIST/JILA, a déclaré. " Cependant, jusqu'à maintenant, personne n'avait trouvé comment activer ces interactions à longue portée dans un gaz en vrac."

"Maintenant, tout cela a changé. Nos travaux ont montré pour la première fois que l'on peut activer un champ électrique pour manipuler les interactions moléculaires, les faire refroidir davantage, et commencer à explorer la physique collective où toutes les molécules sont couplées les unes aux autres."

Le nouveau travail fait suite aux nombreuses réalisations précédentes de Ye avec des gaz quantiques ultrafroids. Les chercheurs ont longtemps cherché à contrôler les molécules ultrafroides de la même manière qu'ils peuvent contrôler les atomes. Les molécules offrent des moyens de contrôle supplémentaires, y compris la polarité, c'est-à-dire des charges électriques opposées et de nombreuses vibrations et rotations différentes.

Les expériences JILA ont créé un gaz dense d'environ 20, 000 molécules de potassium-rubidium piégées à une température de 250 nanokelvins au-dessus du zéro absolu (environ moins 273 degrés Celsius ou moins 459 degrés Fahrenheit). Surtout, ces molécules sont polaires, avec une charge électrique positive à l'atome de rubidium et une charge négative à l'atome de potassium. Les différences entre ces charges positives et négatives, appelés moments dipolaires électriques, faire en sorte que les molécules se comportent comme de minuscules aimants de boussole sensibles à certaines forces, dans ce cas des champs électriques.

Lorsque le gaz est refroidi à près du zéro absolu, les molécules cessent de se comporter comme des particules et se comportent plutôt comme des ondes qui se chevauchent. Les molécules restent séparées car ce sont des fermions, une classe de particules qui ne peuvent pas être dans le même état quantique et le même emplacement en même temps et donc se repousser. Mais ils peuvent interagir à longue distance grâce à leurs ondes qui se chevauchent, moments dipolaires électriques et autres caractéristiques.

Autrefois, Les chercheurs du JILA ont créé des gaz quantiques de molécules en manipulant un gaz contenant les deux types d'atomes avec un champ magnétique et des lasers. Cette fois, les chercheurs ont d'abord chargé le mélange d'atomes gazeux dans un empilement vertical de minces, pièges en forme de crêpe formés à partir de lumière laser (appelé réseau optique), confiner étroitement les atomes le long de la direction verticale. Les chercheurs ont ensuite utilisé des champs magnétiques et des lasers pour lier des paires d'atomes en molécules. Les atomes restants ont été chauffés et éliminés en réglant un laser pour exciter un mouvement unique à chaque type d'atome.

Puis, avec le nuage moléculaire positionné au centre d'un nouvel assemblage de six électrodes formé de deux plaques de verre et de quatre tiges de tungstène, les chercheurs ont généré un champ électrique accordable.

Le champ électrique a déclenché des interactions répulsives entre les molécules qui ont stabilisé le gaz, réduire les collisions inélastiques ("mauvaises") dans lesquelles les molécules subissent une réaction chimique et s'échappent du piège. Cette technique a multiplié par cent les taux d'interactions élastiques ("bonnes") tout en supprimant les réactions chimiques.

Cet environnement a permis un refroidissement évaporatif efficace du gaz jusqu'à une température inférieure au début de la dégénérescence quantique. Le processus de refroidissement a retiré les molécules les plus chaudes du piège en treillis et a permis aux molécules restantes de s'adapter à une température plus basse grâce aux collisions élastiques. L'activation lente d'un champ électrique horizontal pendant des centaines de millisecondes a réduit la force du piège dans une direction, assez longtemps pour que les molécules chaudes s'échappent et que les molécules restantes se refroidissent. A la fin de ce processus, les molécules sont revenues à leur état le plus stable mais maintenant dans un gaz plus dense.

La nouvelle méthode JILA peut être appliquée pour fabriquer des gaz ultrafroids à partir d'autres types de molécules polaires.

Les gaz moléculaires ultrafroids peuvent avoir de nombreuses utilisations pratiques, y compris de nouvelles méthodes pour l'informatique quantique utilisant des molécules polaires comme bits quantiques ; des simulations et une meilleure compréhension des phénomènes quantiques tels que la magnétorésistance colossale (pour un stockage et un traitement améliorés des données) et la supraconductivité (pour une transmission d'énergie électrique parfaitement efficace); et de nouveaux outils de mesure de précision tels que des horloges moléculaires ou des systèmes moléculaires qui permettent de rechercher de nouvelles théories de la physique.