Ερευνητές από το Chinese University of Hong Kong και το Institute of Theoretical Physics της Κινεζικής Ακαδημίας Επιστημών πέτυχαν ένα σημαντικό ορόσημο στην κβαντική φυσική, δημιουργώντας συμπύκνωμα Bose-Einstein (BEC) από υπερψυχρά πολικά μόρια νατρίου-ρουβιδίου (NaRb). Το επίτευγμα, που δημοσιεύθηκε στο Nature Physics, ανοίγει νέους δρόμους για τη μελέτη πολύπλοκων κβαντικών φαινομένων και ισχυρά αλληλεπιδρώντων συστημάτων.
Συμπύκνωμα Bose-Einstein: Ένας στόχος δεκαετιών
Τα συμπυκνώματα Bose-Einstein σχηματίζονται όταν σωματίδια που ονομάζονται μποζόνια ψύχονται σε θερμοκρασίες ελάχιστα πάνω από το απόλυτο μηδέν. Σε αυτήν την κατάσταση όλα τα σωματίδια συμπεριφέρονται σαν ένα ενιαίο κβαντικό αντικείμενο.
Παρότι τα πρώτα BEC δημιουργήθηκαν με άτομα το 1995, η επίτευξη του ίδιου αποτελέσματος με πολικά μόρια αποδείχθηκε πολύ δυσκολότερη. Τα μόρια διαθέτουν μόνιμη ηλεκτρική διπολική ροπή και πολύ πιο σύνθετη εσωτερική δομή, γεγονός που τα καθιστά ιδανικά για νέες εφαρμογές στην κβαντική φυσική, αλλά και πολύ πιο δύσκολα στον χειρισμό.
Το πρόβλημα των συγκρούσεων
Η βασική πρόκληση ήταν ότι τα υπερψυχρά μόρια χάνονταν κατά τις μεταξύ τους συγκρούσεις. Όταν δύο μόρια πλησίαζαν αρκετά, σχημάτιζαν προσωρινά ένα σύνθετο σύστημα, το οποίο οδηγούσε στην απώλειά τους από το αέριο που χρησιμοποιούσαν οι ερευνητές.
Για να αντιμετωπίσουν το πρόβλημα, οι επιστήμονες δημιούργησαν ένα απωθητικό δυναμικό μεταξύ των μορίων χρησιμοποιώντας δύο προσεκτικά ρυθμισμένα πεδία μικροκυμάτων. Το ένα πεδίο παρήγαγε περιστρεφόμενη ηλεκτρική διπολική ροπή, ενώ το δεύτερο δημιουργούσε ταλαντούμενη διπολική ροπή.
Ο συνδυασμός τους διαμόρφωσε ένα προστατευτικό φράγμα μεγάλων αποστάσεων, το οποίο μείωσε δραστικά τις ανεπιθύμητες συγκρούσεις χωρίς να επηρεάζει τις ελαστικές συγκρούσεις που είναι απαραίτητες για την εξάτμιση και την περαιτέρω ψύξη του αερίου.
Η δημιουργία του συμπυκνώματος
Αφού περιορίστηκαν οι απώλειες, οι ερευνητές μείωσαν σταδιακά το οπτικό δυναμικό παγίδευσης, επιτρέποντας στα θερμότερα μόρια να διαφύγουν. Τα υπόλοιπα μόρια ψύχονταν ολοένα περισσότερο, μέχρι που το σύστημα πέρασε στην κατάσταση Bose-Einstein.
Κατά τη διάρκεια των πειραμάτων παρατηρήθηκε επίσης ο σχηματισμός ενός ασυνήθιστου αυτοδεσμευμένου κβαντικού σταγονιδίου από μόρια NaRb, επιβεβαιώνοντας την εμφάνιση νέων φαινομένων πολλών σωμάτων.
Νέες δυνατότητες στην κβαντική φυσική
Οι ερευνητές εκτιμούν ότι η μέθοδος αυτή μπορεί να αποτελέσει γενική στρατηγική για τη δημιουργία συμπυκνωμάτων Bose-Einstein και σε άλλα πολικά μόρια. Παράλληλα, σχεδιάζουν να μελετήσουν λεπτομερώς τη δομή και τις ιδιότητες του κβαντικού σταγονιδίου, καθώς και θεμελιώδη χαρακτηριστικά του συστήματος, όπως το φάσμα διεγέρσεων, την εξίσωση κατάστασης και τη συλλογική συμπεριφορά των μορίων.
Το επίτευγμα θεωρείται σημαντικό βήμα προς την κατανόηση νέων μορφών κβαντικής ύλης και θα μπορούσε να συμβάλει στην ανάπτυξη μελλοντικών κβαντικών τεχνολογιών και προηγμένων θεωριών για τα ισχυρά αλληλεπιδρώντα κβαντικά συστήματα.