Hubbard models with ultracold shielded molecules in optical lattices

In de zoektocht naar het begrijpen van de meest complexe materialen in de natuur, zoals de supergeleiders die elektriciteit zonder weerstand geleiden, wenden natuurkundigen zich vaak tot een vereenvoudigd mentaal model dat bekend staat als het Hubbard-model. Dit model stelt zich elektronen voor die tussen vaste posities in een rooster springen en alleen met elkaar interageren wanneer ze op dezelfde plek landen. Hoewel dit beeld de essentie van veel mysterieuze gedragingen in vaste stoffen vangt, is de echte wereld vaak ingewikkelder. In veel materialen interageren deeltjes niet alleen wanneer ze elkaar aanraken; ze voelen elkaars aanwezigheid ook van een afstand, wat een web van langetermijnkrachten creëert dat het eenvoudige model niet kan beschrijven. Om deze rijkere interacties te bestuderen, hebben wetenschappers decennia besteed aan het bouwen van "kwantumsimulatoren" met behulp van ultrakoude atomen die gevangen zitten in roosters van licht. Deze simulatoren stellen onderzoekers in staat om te regelen hoe deeltjes bewegen en interageren, wat een venster biedt op fysica die te moeilijk is om op een computer te berekenen. Echter, een grote hindernis is een hardnekkig probleem gebleven: de deeltjes die in deze experimenten worden gebruikt, lijden vaak aan een fataal gebrek. Wanneer twee deeltjes elkaar ontmoeten, botsen ze vaak en verdwijnen ze, waardoor de delicate kwantumtoestand wordt vernietigd voordat deze bestudeerd kan worden.

Een nieuwe studie door onderzoekers van de Radboud Universiteit en Rice University stelt een oplossing voor dit probleem voor door een ander soort deeltje te gebruiken: ultracoude moleculen die speciaal zijn afgeschermd tegen vernietiging. Deze moleculen zijn gehuld in een beschermende barrière gecreëerd door microgolfvelden, wat voorkomt dat ze met elkaar reageren, zelfs wanneer ze botsen. De onderzoekers zetten zich af om te bepalen of deze afgeschermde moleculen gebruikt kunnen worden om een geavanceerdere versie van het Hubbard-model te bouwen, één die interacties tussen deeltjes op naburige roosterplaatsen bevat, en niet alleen op dezelfde plek. Ze kwamen tot de conclusie dat, in tegenstelling tot eerdere pessimistische opvattingen, deze moleculen niet simpelweg optreden als harde, ondoordringbare ballen die voorkomen dat er twee dezelfde ruimte delen. In plaats daarvan hebben de wetenschappers aangetoond dat ze, door de diepte van het lichtrooster en de sterkte van de microgolfvelden zorgvuldig aan te passen, onafhankelijk kunnen controleren hoe sterk de moleculen elkaar afstoten wanneer ze op dezelfde plek zijn versus wanneer ze op aangrenzende plekken zijn. Dit niveau van controle maakt het mogelijk om een zeer regelbaar systeem te creëren waarbij de interacties sterk of zwak, aantrekkend of afstotend kunnen worden gemaakt, wat de deur opent naar het simuleren van complexe kwantummaterialen met ongekende precisie.

De kern van de uitdaging ligt in de aard van de moleculen zelf. In tegenstelling tot de eenvoudige atomen die in eerdere experimenten werden gebruikt, zijn deze moleculen groot en bezitten ze sterke interne elektrische velden. Wanneer twee dergelijke moleculen naderen, ervaren ze een krachtige afstotende kracht die werkt als een harde schil, waardoor ze niet te dicht bij elkaar kunnen komen. In het verleden namen natuurkundigen aan dat deze schil zo sterk en zo groot was dat het elke twee moleculen volledig zou verhinderen om dezelfde roosterplaats in te nemen, wat het systeem effectief zou vergrendelen in een toestand waarin dubbele bezetting niet mogelijk was. Dit zou de moleculen onbruikbaar hebben gemaakt voor het bestuderen van de rijke fysica van deeltjes die op dezelfde plek interageren. De onderzoekers in deze studie hebben echter gedetailleerde berekeningen uitgevoerd om te zien of deze aanname standhield. Ze modelleerden het gedrag van twee afgeschermde moleculen gevangen in een driedimensionaal rooster van licht, waarbij ze de fundamentele bewegingsvergelijkingen oplosten om precies te zien hoe de moleculen zich onder verschillende omstandigheden zouden gedragen.

Hun berekeningen onthulden een verrassende flexibiliteit. De onderzoekers ontdekten dat de sterke afstotende kracht, hoewel aanzienlijk, geen onbreekbare muur is. Door de intensiteit van het laserlicht waarmee het rooster wordt gecreëerd te regelen, konden ze veranderen hoe nauw de moleculen worden opgesloten. Tegelijkertijd konden ze, door de microgolfvelden aan te passen, de sterkte en richting van de langetermijnkrachten tussen de moleculen controleren. De sleutelontdekking was dat deze twee controles onafhankelijk van elkaar werken. De wetenschappers toonden aan dat ze de interactie tussen moleculen op dezelfde plek konden afstemmen van sterk afstotend naar bijna nul, of zelfs licht aantrekkend, zonder de interactie tussen moleculen op naburige plekken te veranderen. Dit betekent dat ze een scenario kunnen creëren waarin moleculen vrij zijn om een ruimte te delen als ze dat willen, of gedwongen worden uit elkaar te gaan, terwijl ze tegelijkertijd een specifieke, regelbare kracht tussen buren behouden. Deze onafhankelijke controle is een krachtig instrument dat voorheen als onbereikbaar werd beschouwd voor deze systemen.

De mogelijkheid om deze interacties af te stemmen opent een nieuwe manier om naar kwantummaterialen te kijken, specifiek die welke zijn gedoteerd met extra deeltjes. In veel hogetemperatuur-supergeleiders vindt de meest interessante fysica niet plaats in het zuivere materiaal, maar wanneer er enkele extra deeltjes worden toegevoegd of verwijderd, waardoor "gaten" in het rooster ontstaan. Het begrijpen van hoe deze gaten met elkaar interageren is cruciaal voor het oplossen van het mysterie van supergeleiding, maar het is berucht moeilijk te meten. In een standaard kwantumsimulator kunnen de gaten er identiek uitzien, zelfs als hun onderliggende interacties verschillend zijn, omdat de instrumenten die gebruikt worden om hen te observeren alleen zien waar de deeltjes zijn, en niet hoe ze elkaar voelen. De onderzoekers in deze studie stelden een nieuw diagnostisch instrument voor dat zij een "interactiemicroscoop" noemen. Door gebruik te maken van de regelbare langetermijnkrachten tussen de afgeschermde moleculen, lieten zij zien dat ze verschillende soorten gat-interacties onderscheidend kunnen maken.

Om dit te demonstreren, simuleerde het team een scenario waarin twee gaten in een rooster van moleculen bestaan. Ze overwoogen verschillende verschillende theoretische modellen voor hoe deze gaten elkaar zouden aantrekken of afstoten. In een standaardobservatie zag de waarschijnlijkheid om de gaten op een bepaalde afstand van elkaar te vinden er bijna identiek uit voor al deze verschillende modellen, waardoor ze onmogelijk uit elkaar te houden waren. Echter, wanneer de onderzoekers de regelbare langetermijninteractie tussen de moleculen aanzetten, veranderde het gedrag van de gaten op manieren die afhankelijk waren van het specifieke model. De langetermijnkracht fungeerde als een sonde, die de subtiele verschillen tussen de modellen versterkte totdat ze duidelijk zichtbaar werden. De simulaties toonden aan dat deze methode verschillende soorten interacties met hoge helderheid kon onderscheiden, zelfs bij temperaturen die haalbaar zijn in huidige experimenten. Dit suggereert dat afgeschermde moleculen wetenschappers eindelijk in staat kunnen stellen om concurrerende theorieën over hoe supergeleiding werkt te testen, een vraag die al decennia onbeantwoord blijft.

De studie behandelde ook de praktische omstandigheden die nodig zijn om deze experimenten uit te voeren. Omdat de afstotende krachten tussen de moleculen zo sterk zijn, vonden de onderzoekers dat de beste resultaten worden behaald in relatief ondiepe lichtroosters. In deze ondiepe roosters kunnen de moleculen gemakkelijker tussen locaties bewegen, wat een aanzienlijk voordeel is. In de kwantumsimulatie is het bereiken van de laagst mogelijke temperaturen in verhouding tot de energie van beweging vaak de grootste flessenhals. Door te werken in ondiepe roosters waar beweging snel is, kan het systeem de noodzakelijke lage temperatuurregimes gemakkelijker bereiken dan in diepe roosters waar beweging traag is. Dit praktische inzicht betekent dat de complexe fysica van sterk interagerende moleculen met de huidige technologie bestudeerd kan worden, zonder te wachten op toekomstige doorbraken in koeling of opsluiting.

De onderzoekers valideerden hun bevindingen door hun complexe berekeningen te vergelijken met eenvoudigere benaderingen die in het verleden werden gebruikt. Ze toonden aan dat voor deze grote, afgeschermde moleculen de oude rekenmethoden, die de deeltjes als puntvormige objecten behandelen, volledig falen. De moleculen zijn te groot en hun interacties te lang reikend voor die kortere wegen om te werken. In plaats daarvan moest het team het volledige kwantummechanische probleem oplossen, waarbij rekening werd gehouden met de gedetailleerde vorm van de moleculen en de specifieke manier waarop ze interageren. Hun resultaten bevestigden dat de afgeschermde moleculen niet gedragen als eenvoudige harde bollen. In plaats daarvan vormen ze een flexibel, regelbaar systeem waarbij de regels van interactie door de experimentator geschreven kunnen worden. Dit werk transformeert de kijk op moleculaire kwantumsimulatie, van een visie op deze deeltjes als fragiel en beperkt naar het zien van hen als een krachtig, veelzijdig platform voor het verkennen van de diepste mysteries van de gecondenseerde materie-fysica.