Microwave-controlled interactions and stripe formation of static-field-shielded polar molecules

In de stille, bevroren hoeken van het universum hebben wetenschappers geleerd om atomen en moleculen te verleiden tot een vreemde, verenigde staat van materie die bekend staat als een Bose-Einsteincondensaat. Stel je een menigte individuen voor, die elk op hun eigen chaotische manier bewegen, die plotseling besluit om in perfecte pas te marcheren, waarbij ze zich gedragen als één enkele, reusachtige golf in plaats van een verzameling afzonderlijke deeltjes. Deze staat van materie, die voor het eerst werd gecreëerd met magnetische atomen, heeft onderzoekers in staat gesteld om exotische nieuwe fasen te verkennen waarin de substantie zich tegelijkertijd gedraagt als een vloeistof en een solide kristal. Deze dubbele natuur, een supersolid genoemd, is een heilige graal van de moderne fysica omdat het onze basisbegrip van hoe materie zichzelf organiseert, uitdaagt. Hoewel magnetische atomen ons glimpjes van dit gedrag hebben getoond, bieden elektrische moleculen een veel sterker potentieel voor interactie, wat belooft nog rijkere en complexere gedragingen te onthullen. Het samenbrengen van deze moleculen is echter een nachtmerrie geweest; wanneer ze dicht bij elkaar komen, neigen ze te botsen en te verdwijnen, waardoor het delicate condensaat wordt vernietigd voordat het kan vormen.

Een team onderzoekers aan de Lund Universiteit in Zweden heeft nu een manier gevonden om deze vluchtige moleculen te temmen en ze naar een nieuwe, stabiele vorm van supersolid te leiden. Door een slimme combinatie van een constant elektrisch veld en een zorgvuldig afgestemd microgolfveld te gebruiken, creëerden ze een beschermend schild dat voorkomt dat de moleculen tegen elkaar aan botsen en verdwijnen. Deze afschermtechniek zorgt ervoor dat de moleculen voorzichtig over lange afstanden met elkaar kunnen interageren zonder de destructieve botsingen op korte afstand die normaal gesproken het experiment zouden ruïneren. De onderzoekers gebruikten computersimulaties om te modelleren hoe deze afgeschermde moleculen zich zouden gedragen wanneer ze gevangen zitten in een platte, pannenkoekvormige container. Ze ontdekten dat ze, door de vorm van het microgolfveld licht aan te passen — door het net een klein beetje minder perfect cirkelvormig te maken — de moleculen konden dwingen om zich in een specif으로 patroon te rangschikken. Dit patroon vertegenwoordigt een nieuw soort supersolid-toestand, een die zelfs ontstaat bij zeer subtiele veranderingen in de experimentele opstelling.

De sleutel tot dit succes ligt in de manier waarop de onderzoekers de krachten tussen de moleculen manipuleerden. Ze plaatsten de moleculen in een elektrisch veld en baadden ze in microgolven die ontworpen waren om de gevaarlijke, kort-bereik aantrekking te neutraliseren die ervoor zorgt dat ze aan elkaar plakken en uit elkaar breken. In plaats van te botsen en te verdwijnen, voelden de moleculen een zachte, lang-bereik duw en trek die hen op een veilige afstand hield, terwijl ze nog steeds invloed op elkaar konden uitoefenen. Het team berekende de exacte sterkte van deze interacties en bevestigde hun berekeningen door ze te vergelijken met gedetailleerde modellen van hoe de moleculen van elkaar zouden verstrooien. Ze vonden dat de moleculen voor een breed scala aan instellingen gedurende lange perioden konden overleven, waarbij het overgrote deel van hun botsingen onschadelijke stuiterbewegingen waren in plaats van destructieve crashes. Deze stabiliteit is cruciaal omdat het betekent dat de moleculen kunnen bezinken in een kalme, georganiseerde toestand waar hun collectieve gedrag bestudeerd kan worden.

Wanneer de onderzoekers een grote groep van deze afgeschermde moleculen simuleerden, observeerden ze iets opmerkelijks. In een perfect circulair microgolfveld wilden de moleculen van nature samenklonteren in een driehoekig rooster, waardoor ze een solide-achtige structuur binnen de vloeistof vormden. Echter, toen ze een kleine imperfectie in het microgolfveld introduceerden, waardoor het licht elliptisch werd, veranderde het gedrag drastisch. De moleculen stopten met het vormen van een rooster en stelden zich in plaats daarvan op in parallelle rijen, waardoor een gestreept fase ontstond. Deze transitie vond plaats zelfs toen de imperfectie in het microgolfveld extreem klein was, slechts één graad afwijking van perfect cirkelvormig. De onderzoekers ontdekten dat deze gestreepte rangschikking een stabiele grondtoestandsconfiguratie is, wat betekent dat dit de meest natuurlijke manier is voor de moleculen om zich onder deze specifieke omstandigheden te rangschikken.

De studie onderzocht ook hoe deze moleculen zouden reageren op kleine verstoringen, wat in feite controleert hoe "stijf" of flexibel de nieuwe staat van materie was. Ze vonden dat de energie die nodig is om rimpelingen of golven in het condensaat te creëren, veranderde afhankelijk van de richting van de golf, een direct gevolg van het feit dat de strepen de symmetrie van het systeem doorbreken. In een perfect ronde opstelling zouden de moleculen op dezelfde manier reageren in elke richting, maar de strepen zorgden ervoor dat het systeem anders reageerde langs de lijnen versus dwars over de lijnen heen. Deze directionele afhankelijkheid is een duidelijke handtekening van de supersolid-toestand, wat bewijst dat de moleculen een rigide, kristallijne orde hebben ontwikkeld terwijl ze nog steeds stromen als een vloeistof. De onderzoekers merkten op dat hoewel het creëren van een perfect driehoekig rooster een bijna foutloos circulair microgolfveld zou vereisen, wat moeilijk te bereiken is in een echt laboratorium, de gestreepte fase veel gemakkelijker te produceren is en robuust is tegen kleine experimentele fouten.

Dit werk suggereert een nieuwe weg voorwaarts voor het creëren en bestuderen van supersolids met moleculen. Door de afschermtechniek uit te breiden naar elliptisch gepolariseerde microgolven, kunnen wetenschappers nu toegang krijgen tot een rijke variëteit aan toestanden waarin de moleculen gecontroleerde, anisotrope patronen vormen. De onderzoekers hebben aangetoond dat zelfs een kleine aanpassing aan het microgolfveld het systeem van een roosterachtige rangschikking naar een gestreepte fase kan schakelen, wat een hoge mate van controle biedt over de eigenschappen van het materiaal. Hoewel de gepresenteerde resultaten gebaseerd zijn op geavanceerde computersimulaties, rust de onderliggende fysica op goed gevestigde principes van kwantummechanica en botsingtheorie. De simulaties laten zien dat de condities die vereist zijn voor deze gestreepte supersolid binnen het bereik liggen van de huidige experimentele mogelijkheden, met name gezien het recente succes in het creëren van Bose-Einsteincondensaten van polaire moleculen. De bevindingen openen de deur naar het verkennen van een nieuwe grens in kwantummaterie, waarbij het samenspel tussen vloeibaarheid en vastheid kan worden afgesteld met de precisie van een microgolfregelaar.