Физики впервые создали молекулярную квантовую систему

Американским физикам впервые удалось достичь квантового состояния конденсата Бозе — Эйнштейна для молекулярного газа. Раньше это удавалось сделать только для атомов. Авторы отмечают, что их открытие — важный шаг в развитии квантовой физики, химии и технологий. Результаты опубликованы в журнале Nature.

Пока квантовые технологии существуют только в микромире, на уровне атомов. Технологический прорыв в этой отрасли зависит от масштаба квантовых систем, которыми смогут управлять ученые. Исследователи из Чикагского университета сообщили о первом успешном эксперименте по созданию квантового состояния в молекулярных системах.

Конденсат Бозе — Эйнштейна — это экстремальное состояние вещества, которое возникает только при температурах, близких к абсолютному нулю. Оно характеризуется тем, что частицы в такой системе уже не различимы, а сливаясь между собой, ведут себя как одна гигантская "суперчастица", состояние которой можно описать волновой функцией.

Уже в течение нескольких десятилетий физикам удается получать этого состояния на атомном уровне — когда группа атомов, охлажденных почти до абсолютного нуля, переходит в единое квантовое состояние и начинает вести себя так, как если бы вся группа была одним атомом. С молекулами это сделать намного сложнее.

"Атомы представляют собой простые сферические объекты, тогда как молекулы могут вибрировать, вращаться, нести магнитный заряд. Поскольку молекулы могут делать много разных вещей, это делает их более полезными, но в то же время их намного сложнее контролировать", — приводятся в пресс-релизе университета слова руководителя исследования профессора Чен Чиня (Cheng Chin).

Привести одновременно несколько молекул в единое квантовое состояние было одной из важнейших целей квантовой физики, начиная с 1990-х годов, но только сейчас это стало возможным благодаря появлению ряда новых технических возможностей.

"Люди пытались сделать это на протяжении десятилетий, поэтому мы очень взволнованы, — продолжает ученый. — Я надеюсь, что откроет новые области в квантовой химии, и впереди нас ждет много открытий".

Чтобы привести молекулы газа в квантовое состояние, авторы сначала охладили их до 10 нанокельвинов — практически до абсолютного нуля — а затем сжали сверхвысоким давлением настолько, что они выстроились в линию идентичных молекул с одинаковой ориентацией и одинаковой частотой колебаний, то есть привели в квантовое состояние.

"Обычно молекулы хотят двигаться во всех направлениях, и если вы это допустите, они будут гораздо менее стабильными. Мы ограничили молекулы так, чтобы они находились на двумерной поверхности и могли двигаться только в двух направлениях", — отмечает Чен.

Ученые назвали полученное состояние чистым листом для квантовой инженерии.

"Если вы хотите создать квантовые системы для хранения информации, вам нужен чистый лист, на котором можно писать, прежде чем вы сможете форматировать и хранить эту информацию. Это идеальная отправная точка", — объясняет профессор Чен.

"В традиционном понимании химии вы думаете о нескольких атомах и молекулах, которые сталкиваются и образуют новые молекулы, — продолжает исследователь. — Но в квантовом режиме все молекулы действуют вместе, в коллективном поведении. Это открывает совершенно новый способ изучения того, как все молекулы могут реагировать вместе, чтобы стать молекулами нового типа".

Пока ученым удалось связать вместе нескольких тысяч молекул, но в будущем они планируют наращивать потенциал молекулярных квантовых систем.