Кристалл на самом деле представляет собой газ из частиц, захваченных в трехмерном пространстве лазерными лучами. Ловушка, называемая оптической решеткой, имеет ямы — локальные области с низкой энергией — как коробку для яиц, сделанную из света. Исследователи поместили по одной молекуле в каждую лунку, успешно заполнив около 25 процентов кристалла. Эта структура имеет преимущество перед настоящим кристаллом, поскольку состоит из интересных с научной точки зрения молекул, которые обычно не кристаллизуются.
Описано в ноябре. 6, 2015, выпуск журнала Science *, кристалл JILA полезен для изучения корреляций между «спинами» или вращениями молекул, квантовым поведением, связанным с магнетизмом. Более плотный кристалл позволит ученым изучать и моделировать сложные эффекты, такие как то, как спиновые корреляции или запутанность — квантовая связь между свойствами разделенных частиц — распространяется по большой системе. Ученые могут использовать эти эффекты, например, для создания новых материалов для электроники или других приложений.
JILA управляется совместно Национальным институтом стандартов и технологий (NIST) и Университетом Колорадо в Боулдере.
«Плотность кристалла теперь достаточно высока, чтобы ввести дальний порядок, поэтому молекулы ведут себя как взаимосвязанная система, а не просто набор изолированных частиц», — говорит сотрудник JILA / NIST Джун Йе. "Молекулы расположены достаточно близко друг к другу, чтобы их спины могли мигрировать и перемещаться к другим молекулам, что позволяет нам исследовать квантовые связи многих частиц, которые могут привести к новым материалам."
Каждая молекула состоит из одного атома калия, связанного с одним атомом рубидия. Молекулы полярны, с положительным электрическим зарядом на рубидии и отрицательным зарядом на калии.
Эта особенность означает, что молекулы могут управляться электрическими полями и могут сильно взаимодействовать, даже когда они находятся далеко друг от друга.
«Поскольку наши молекулы полярны, соседние молекулы в решетке будут взаимодействовать друг с другом», — говорит сотрудник JILA / NIST Дебора Джин. "Когда у каждой молекулы есть несколько соседей, с которыми можно поговорить, эти взаимодействия становятся намного более важными и влияют на весь кристалл."
Построение квантового кристалла было своего рода прорывом в атомных манипуляциях. В то время как исследователи могут относительно легко создать кристалл из одного атомарного газа, объединение двух разных атомных газов было трудным.
Но это было необходимо для того, чтобы два разных атома образовали молекулу. Рецепт требовал небольшого облака атомов рубидия, класса частиц, которые любят действовать в унисон, и большого облака атомов калия, которые имеют тенденцию быть более независимыми.
Команда JILA загрузила оптическую решетку, перекрыв два облака, чтобы они соответствовали их плотности и уровням энергии на пересечении, так что один атом каждого типа имел тенденцию накапливаться в каждой лунке. Затем исследователи использовали магнитные поля и лазеры, чтобы объединить пары атомов в молекулы с минимально возможной колебательной и вращательной энергией. Оставшиеся паразитные атомы были выброшены из ловушки.
Ученые JILA впервые создали ультрахолодные молекулы в 2008 году, а несколько лет назад сформировали первый молекулярный кристалл, в котором молекулы поменяли спины.
Чтобы уменьшить химические реакции и продлить время жизни молекул, исследователи сделали ловушки глубже. Теперь они достигли своей следующей цели — заполнить достаточно ям, чтобы объединить кристалл в систему, открыв дверь для интригующих новых квантовых явлений.
Исследование финансировалось NIST, Управлением научных исследований ВВС, Управлением армейских исследований и Национальным научным фондом.
Как ненормативный орган США.S.
Министерство торговли, NIST продвигает U.S. инновации и промышленная конкурентоспособность за счет развития измерительной науки, стандартов и технологий таким образом, чтобы повысить экономическую безопасность и улучшить качество нашей жизни.
