Formation of bosonic $^{23}$Na$^{41}$K Feshbach molecules

Nelle regioni più fredde del laboratorio, dove le temperature scendono a un soffio dallo zero assoluto, gli atomi perdono il loro caos individuale e iniziano a muoversi come un'unica, unificata onda. Questo è il regno dei gas quantistici ultracoldi, un campo in cui gli scienziati manipolano la materia per rivelarne i comportamenti più fondamentali. Tra gli strumenti più entusiasmanti in questo dominio ci sono le molecole di Feshbach, ovvero coppie di atomi tenute insieme non dai forti legami chimici che compongono l'acqua o l'aria, ma da una delicata e regolabile forza magnetica. Regolando un campo magnetico esterno, i ricercatori possono calibrare la forza dell'attrazione tra gli atomi, trasformandoli da particelle fluttuanti libere in coppie debolmente legate. Queste molecole sono un passaggio cruciale. Se gli scienziati riescono a raffreddarle ulteriormente e a bloccarle nel loro stato di energia più basso, esse diventano particelle stabili e fortemente interagenti con un dipolo elettrico permanente. Tali particelle potrebbero agire come minuscoli magneti capaci di comunicare tra loro su lunghe distanze, offrendo una nuova piattaforma per simulare materiali complessi, testare le leggi della fisica e costruire le future tecnologie quantistiche.

Un team di ricercatori della Pohang University of Science and Technology in Corea del Sud ha compiuto ora un passo significativo verso questo obiettivo, creando un tipo specifico di queste molecole ultracold utilizzando atomi di sodio e potassio. Mentre esperimenti precedenti hanno creato con successo molecole simili utilizzando altre combinazioni di elementi, questo gruppo si è concentrato su una versione bosonica di sodio-23 e potassio-41. Questa specifica coppia è molto preziosa perché gli atomi coinvolti possiedono proprietà che li rendono candidati eccezionali per la formazione di grandi, stabili nubi di materia quantistica. Il traguardo principale del team è stata la creazione riuscita di queste molecole e una mappa dettagliata di quanto tempo sopravvivano prima di disgregarsi, fornendo una chiara tabella di marcia per futuri esperimenti volti a creare un gas completamente quantistico-degenerato di queste particelle.

Il processo è iniziato con una miscela di atomi ultracoldi di sodio e potassio intrappolati in un fascio di luce laser. Gli atomi sono stati raffreddati a temperature così basse come 170 nanokelvin, uno stato in cui si muovono con estrema lentezza. Per unirli, i ricercatori hanno applicato un campo magnetico specifico di circa 73,6 gauss, un'impostazione in cui gli atomi sono naturalmente inclini ad accoppiarsi. Hanno poi utilizzato un impulso preciso di onde radio per spingere delicatamente gli atomi dal loro stato libero a uno stato molecolare debolmente legato. Questa tecnica, nota come associazione a radiofrequenza, agisce come un diapason che si accorda con la differenza di energia tra gli atomi liberi e la nuova molecola, permettendo alla coppia di incastrarsi. In un singolo impulso, il team è riuscito a creare oltre 10.000 di queste molecole di sodio-potassio dalla nube termica.

Una volta formate le molecole, i ricercatori hanno dovuto comprenderne le proprietà per garantire che potessero essere utilizzate per il successivo raffreddamento. Hanno misurato l'energia che tiene insieme le molecole scansionando la radiofrequenza e osservando quando le molecole apparivano. Ciò ha permesso loro di individuare l'esatto campo magnetico in cui avviene l'accoppiamento e di determinare la larghezza di questa risonanza, che si è rivelata essere piuttosto ampia, pari a 5,1 gauss. Una risonanza ampia è una caratteristica preziosa perché significa che gli scienziati possono regolare le interazioni tra gli atomi su un ampio intervallo senza dover colpire un singolo valore di campo magnetico, impossibilmente preciso. Questa robustezza rende il sistema molto più facile da controllare per gli esperimenti futuri.

La stabilità di queste molecole è forse il fattore più critico per il loro uso futuro. I ricercatori hanno misurato quanto a lungo le molecole sono durate nella trappola prima di collidere con altri atomi e disgregarsi. Quando le molecole erano circondate dalla miscela originale di sodio e potassio, sono sopravvissute per più di 2 millisecondi. Tuttavia, quando i ricercatori hanno rimosso gli atomi di sodio residui dalla trappola, le molecole sono vissute significativamente più a lungo, sopravvivendo per circa 7 millisecondi. Questo aumento della durata è vitale perché dà agli scienziati abbastanza tempo per eseguire i passaggi successivi del loro esperimento, come il trasferimento delle molecole al loro stato di energia più basso utilizzando impulsi laser. Il team ha scoperto che questa durata rimaneva costante attraverso diverse impostazioni del campo magnetico, suggerendo che le molecole siano intrinsecamente stabili contro i tipi di collisioni che solitamente le distruggono.

Per capire esattamente come queste molecole si siano formate e perse, il team ha sviluppato un modello matematico che traccia il numero di molecole e atomi nel tempo. Hanno scoperto che la creazione delle molecole era limitata principalmente dalla velocità con cui le onde radio potevano legare gli atomi, piuttosto che dal fatto che le molecole si disgregassero immediatamente. Il loro modello ha mostrato che le molecole venivano perse soprattutto quando collidevano con gli atomi di sodio residui, e che questa perdita avveniva molto più frequentemente rispetto alle collisioni con gli atomi di potassio. Regolando il rapporto tra atomi di sodio e di potassio nella trappola, hanno ottimizzato il processo per creare il massimo numero di molecole, raggiungendo un picco di 11.000. Questa comprensione quantitativa permette loro di prevedere esattamente quante molecole otterranno in diverse condizioni, eliminando l'incertezza dal processo.

Questi risultati rappresentano una solida base per la fase successiva della ricerca. Il team ha dimostrato di poter produrre un gran numero di queste specifiche molecole con un'alta densità, un prerequisito per raffreddarle ulteriormente in un gas quantistico-degenerato. Poiché le molecole sono stabili per diversi millisecondi, c'è tempo a sufficienza per applicare le complesse tecniche laser necessarie per spostarle nel loro stato fondamentale assoluto, dove diventano chimicamente stabili e pronte per avanzate simulazioni quantistiche. Con la creazione e la caratterizzazione di successo di queste molecole bosoniche di sodio-potassio, la strada è ora spianata per esplorare la ricca fisica dei gas dipolari fortemente interagenti, portando potenzialmente a nuove scoperte su come la materia quantistica si comporta su larga scala.