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

In de koudste uithoeken van het laboratorium, waar temperaturen dalen tot binnen een haartje van het absolute nulpunt, verliezen atomen hun individuele chaos en beginnen ze te bewegen als een enkele, verenigde golf. Dit is het domein van ultrakoude kwantumgassen, een veld waar wetenschappers materie manipuleren om de meest fundamentele gedragingen ervan te onthullen. Onder de meest opwindende instrumenten in dit domein behoren de Feshbach-moleculen, paren atomen die niet bij elkaar worden gehouden door de sterke chemische bindingen die water of lucht vormen, maar door een delicate, afstembare magnetische kracht. Door een extern magnetisch veld aan te passen, kunnen onderzoekers de sterkte van de aantrekkingskracht tussen atomen regelen, waardoor ze veranderen van vrij zwevende deeltjes in zwak gebonden paren. Deze moleculen zijn een cruciale tussenstap. Als wetenschappers hen verder kunnen koelen en in hun laagst mogelijke energietoestand kunnen vastzetten, worden ze stabiele, sterk interagerende deeltjes met een permanent elektrisch dipoolmoment. Dergelijke deeltjes zouden kunnen fungeren als piepkleine magneten die over lange afstanden met elkaar communiceren, wat een nieuw platform biedt om complexe materialen te simuleren, de wetten van de fysica te testen en toekomstige kwantumtechnologieën te bouwen.

Een team van onderzoekers aan de Pohang University of Science and Technology in Zuid-Korea heeft nu een belangrijke stap richting dit doel gezet door een specifiek type van deze ultrakoude moleculen te creëren met behulp van natrium- en kaliumatomen. Hoewel eerdere experimenten succesvol vergelijkbare moleculen hebben gecreëerd met andere combinaties van elementen, richt deze groep zich op een bosonische versie van natrium-23 en kalium-41. Dit specifieke paar wordt zeer gewaardeerd omdat de betrokken atomen eigenschappen hebben die hen uitstekende kandidaten maken voor het vormen van grote, stabiele wolken van kwantummaterie. De belangrijkste prestatie van het team was de succesvolle creatie van deze moleculen en een gedetailleerde kaart van hoe lang ze overleven voordat ze uit elkaar vallen, wat een duidelijk stappenplan biedt voor toekomstige experimenten gericht op het creëren van een volledig kwantum-gedegenereerd gas van deze deeltjes.

Het proces begon met een mengsel van ultracoude natrium- en kaliumatomen gevangen in een straal van laserlicht. De atomen werden afgekoeld tot temperaturen zo laag als 170 nanokelvin, een staat waarin ze met extreme traagheid bewegen. Om hen aan elkaar te binden, pasten de onderzoekers een specifiek magnetisch veld toe van ongeveer 73,6 gauss, een instelling waarbij de atomen van nature geneigd zijn om paren te vormen. Vervolgens gebruikten ze een precieze puls van radiogolven om de atomen voorzichtig vanuit hun vrije staat naar een zwak gebonden moleculaire staat te duwen. Deze techniek, bekend als radiofrequentie-associatie, werkt als een stemvork die de energieverschillen tussen de vrije atomen en het nieuwe molecuul matcht, waardoor het paar kan samensmelten. In een enkele puls slaagde het team erin om meer dan 10.000 van deze natrium-kaliummoleculen uit de thermische wolk te creëren.

Zodra de moleculen waren gevormd, moesten de onderzoekers hun eigenschappen begrijpen om te verzekeren dat ze gebruikt konden worden voor verdere koeling. Ze maten de energie die de moleculen bij elkaar houdt door de radiofrequentie te scannen en te observeren wanneer de moleculen verschenen. Dit stelde hen in staat om het exacte magnetische veld te pinpointen waar de pairing plaatsvindt en om de breedte van deze resonantie te bepalen, die uitkwam op een behoorlijk brede 5,1 gauss. Een brede resonantie is een waardevolle eigenschap omdat het betekent dat wetenschappers de interacties tussen de atomen over een breed bereik kunnen afstemmen zonder een enkele, onmogelijk precieze magnetische veldwaarde te hoeven raken. Deze robuustheid maakt het systeem veel gemakkelijker te controleren voor toekomstige experimenten.

De stabiliteit van deze moleculen is misschien wel de meest kritieke factor voor hun toekomstig gebruik. De onderzoekers maten hoe lang de moleculen in de val aanwezig bleven voordat ze botsten met andere atomen en uit elkaar vielen. Wanneer de moleculen werden omringd door het oorspronkelijke mengsel van natrium- en kaliumatomen, overleefden ze meer dan 2 milliseconden. Echter, toen de onderzoekers de overgebleven natriumatomen uit de val verwijderden, leefden de moleculen aanzienlijk langer, namelijk ongeveer 7 milliseconden. Deze toename in levensduur is essentieel omdat het wetenschappers genoeg tijd geeft om de volgende stappen van hun experiment uit te voeren, zoals het overbrengen van de moleculen naar hun laagste energietoestand met behulp van laserpulsen. Het team stelde vast dat deze levensduur consistent bleef over verschillende magnetische veldinstellingen, wat suggereert dat de moleculen inherent stabiel zijn tegen de soorten botsingen die hen gewoonlijk vernietigen.

Om precies te begrijpen hoe deze moleculen werden gevormd en verloren gingen, ontwikkelde het team een wiskundig model dat het aantal moleculen en atomen in de loop van de tijd bijhield. Ze ontdekten dat de creatie van de moleculen primair werd beperkt door hoe snel de radiogolven de atomen konden binden, in plaats van dat de moleculen onmiddellijk uit elkaar vielen. Hun model toonde aan dat de moleculen vooral verloren gingen wanneer ze botsten met overgebleven natriumatomen, en dat dit verlies veel frequenter gebeurde dan botsingen met kaliumatomen. Door de verhouding van natrium tot kaliumatomen in de val aan te passen, optimaliseerden zij het proces om het maximale aantal moleculen te creëren, wat een piek van 11.000 bereikte. Dit kwantitatieve begrip stelt hen in staat om precies te voorspellen hoeveel moleculen ze zullen krijgen onder verschillende omstandigheden, waardoor het giswerk uit het proces wordt gehaald.

Deze resultaten vormen een solide fundament voor de volgende fase van het onderzoek. Het team heeft aangetoond dat zij een groot aantal van deze specifieke moleculen met een hoge dichtheid kunnen produceren, een vereiste om hen verder te koelen tot een kwantum-gedegenereerd gas. Omdat de moleculen stabiel zijn gedurende enkele milliseconden, is er voldoende tijd om de complexe lasertechnieken toe te passen die nodig zijn om hen naar hun absolute grondtoestand te verplaatsen, waar ze chemisch stabiel worden en klaar zijn voor geavanceerde kwantumsimulaties. Met deze succesvolle creatie en karakterisering van bosonische natrium-kaliummoleculen is de weg vrij om de rijke fysica van sterk interagerende dipolaire gassen te verkennen, wat potentieel kan leiden tot nieuwe ontdekkingen in hoe kwantummaterie op grote schaal zich gedraagt.