理论物理学家预测3D分子内的量子相互作用

  在量子力学领域,量子纠缠的产生仍然是最具挑战性的目标之一。简而言之,纠缠是指每个粒子或一组粒子的量子态都不独立于其他粒子或组的量子态,即使在很长的距离上也是如此。纠缠的粒子始终使物理学家着迷,因为测量一个纠缠的粒子会导致另一个纠缠的粒子发生变化,这被爱因斯坦称为“远距离的怪异动作”。到目前为止,物理学家已经了解了这种奇怪的影响以及如何利用它,例如,提高了测量的灵敏度。但是,纠缠态非常脆弱,因为它们很容易被退相干破坏。研究人员已经在原子,光子,电子和离子中产生了纠缠态,

理论物理学家预测3D分子内的量子相互作用

  科罗拉多大学博尔德分校物理学副教授兼JILA研究员Ana Maria Rey博士解释说:“分子对于量子模拟,量子信息和精确度测量非常有吸引力。原因是分子具有大量的内部自由度,可以为量子感测和基础物理测试提供有用的资源。在量子实验中使用分子的另一个好处是分子还具有长距离的偶极相互作用:与必须相互碰撞才能相互作用的原子相反,分子可以远距离相互作用。“与原子相比,分子确实具有很大的优势,但同时,它们也确实很难冷却。实际上,冷却分子以使量子简并性(当分子足够冷以使量子效应占主导时便达到的条件)一直是其中之一。是多年来最抢手的杰出目标。进展非常缓慢,但现在正在发生。”

  2019年,JILA研究员兼科罗拉多大学博尔德分校副教授Jun Ye最终实现了这一重要里程碑。Ye的实验室设法将由一个rub和一个钾原子组成的分子冷却到量子简并观察其量子性质。最近,他一直在将这种分子气体压缩成一堆煎饼状的阵列。雷伊(Rey)和叶(Ye)小组的工作研究了由于这种煎饼状阵列中的偶极相互作用而出现的令人兴奋的新物理学。

  煎饼几何的重要性

  化学反应是冷却分子最有害的敌人之一。几年前,Ye实验室能够避免化学反应,同时通过将分子加载到3D晶格中来允许分子通过偶极相互作用彼此相互作用。3D晶格可以想象成完美的光晶。在3D中,晶格分子固定在各个晶格位置而不会移动。然后,这些分子通过偶极相互作用以与磁体相互作用的方式相互作用:当它们并排放置时,它们会排斥,而当它们并排放置时,它们会相互吸引。在3D晶格中,分子会经历吸引性和排斥性相互作用,因此,平均而言,分子之间的相互作用会相互抵消。此外,在3D晶格实验中,分子填充率非常低,

  然而,在最近的实验中,Ye组能够通过将3D量子简并气体压缩成几块薄煎饼来增加密度,每块薄煎饼都具有平坦的2D形状。Ye小组发现,在煎饼中可以抑制不希望的化学反应,并且还可以增强偶极子的相互作用。这是因为在2D配置中,所有分子都排斥,并且相互作用不会平均。研究人员令人兴奋的观察结果是,薄煎饼中强烈的偶极相互作用还可以使气体对不良的相移作用和化学反应具有鲁棒性。Bilitewski表示:“在研究这种形状时,“从概念上讲,这是这项工作的核心,分子之间的相互作用取决于它们所处的量子态,因此取决于其局限性。因此,首先必须弄清楚这种新的几何形状的相互作用。事实证明,这些相互作用实际上对于生成我们所追求的集体动力学具有非常有益的特性。” 但是更好的消息是,相互作用不仅通过迫使分子偶极全部对齐来保护状态,而且自然会引起纠缠。用Bilitewski的话说:“这种集体同步的好处是,我们产生的纠缠变得对通常会破坏的某些效果更强大。”

  雷伊小组所做的工作说明了偶极气体中几何效应的重要性以及令人兴奋的多体现象,一旦将分子带入量子简并化,这些现象尚待探索。在论证这种2D形状的重要性时,雷伊说:“由于托马斯·比利特斯基(Thomas Bilitewski)所做的出色工作,我们能够对它们的量子动力学进行建模,并表明应该可以纠缠它们,他计算出了所有必要的积分。编写一个有效的模型,解决运动方程,并证明一切都可以解决,它可以通过由偶极相互作用引起的触发器过程来产生纠缠。”

  可控几何形状中超冷分子气体的产生暗示了量子力学领域的新发现和新预测。雷伊补充说:“这一观察证明了分子可以探索量子磁性,换句话说,分子可以像量子磁体一样,可以模拟固体中电子的行为。在我们最近的工作中,我们做了一个朝这个方向前进。” Rey和Ye小组提出的建议仅仅是所有伟大的科学的开端,尚待研究分子纠缠阵列。根据Bilitewski所说:“从我们正在探索一种新颖的机制到现在才在实验室中可用的意义上,这一切真是令人兴奋。”

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