Nauka dla Społeczeństwa

28.03.2024
PL EN
07.05.2021 aktualizacja 07.05.2021

Cząsteczkowy kondensat - przełomowe dokonanie w technice kwantowej

Fot. Fotolia Fot. Fotolia

Fizycy z University of Chicago zdołali utrzymać grupę cząsteczek w pojedynczym stanie kwantowym, czego próbowano od kilku dekad. To milowy krok w kierunku różnego rodzaju kwantowych technologii np. przetwarzających informacje.

Specjaliści wiążą ogromne nadzieje z kwantową techniką, która ma znaleźć przeróżne zastosowania - od odpornych na włamania sieci komputerowych po czujniki trzęsień ziemi. Wiele jednak zależy od jednego: możliwości tworzenia i kontrolowania kwantowych systemów zbudowanych z chemicznych cząsteczek.

Na łamach „Nature” po raz pierwszy takie dokonanie opisali naukowcy z University of Chicago.

„Próbowano tego dokonać od kilku dekad, więc jesteśmy bardzo podekscytowani” - mówi główny autor osiągnięcia, prof. Cheng Chin, który chciał osiągnąć ten cel już jako student w latach 90-tych. „Mam nadzieję, że może to otworzyć nowe dziedziny kwantowej chemii. Istnieją dowody na to, że wiele odkryć czeka na tym polu” - dodaje badacz.

Jak tłumaczą naukowcy, jednym z podstawowych stanów materii jest tzw. kondensat Bosego-Einsteina. Powstaje on, gdy np. grupa atomów o temperaturze bliskiej absolutnego zera dzieli ten sam stan kwantowy. Cały kondensat zachowuje się wtedy, jakby był pojedynczym atomem. To trochę tak, jakby cała orkiestra doskonale równo grała jeden ton. To trudne do osiągnięcia, ale otwiera zupełnie nowe możliwości - podkreślają naukowcy.

Już od wielu lat fizycy potrafili otrzymywać takie kondensaty z pojedynczych atomów, ale do tworzenia różnorodnych technologii kwantowych potrzebny jest kondensat zbudowany z całych cząsteczek. Cząsteczki jednak są po pierwsze dużo większe od atomów, a po drugie mają wiele ruchomych części, przez co zamiast kondensatu, jak dotąd naukowcy otrzymywali chaos.

„Atomy to proste, sferyczne obiekty, podczas gry cząsteczki mogą się obracać, wibrować, nieść małe pola magnetyczne. Ponieważ mogą robić tak wiele rzeczy, są bardziej użyteczne, ale jednocześnie dużo trudniejsze w kontrolowaniu” - tłumaczy prof. Chin.

Jego zespół podszedł do wyzwania z kilku stron. Najpierw badacze ochłodzili swoją próbkę aż do 10 nanokelwinów, czyli niemal do absolutnego zera. Potem ścisnęli cząsteczki w taki sposób, aby utworzyły płaską powierzchnię.

„Cząsteczki chcą zwykle poruszać się we wszystkich kierunkach i jeśli się na to pozwoli, są dużo mniej stabilne. Ograniczyliśmy je tak, że utworzyły dwuwymiarową powierzchnię i mogły poruszać się tylko w dwóch kierunkach” - opowiada fizyk.

W rezultacie powstał zestaw niemal identycznych cząsteczek ustawionych dokładnie w tym samym kierunku, z tą samą częstotliwością wibracji i w tym samym stanie kwantowym.

Grupa z Chicago jak dotąd połączyła w kondensacie kilka tysięcy cząsteczek i pracuje już nad zwiększeniem tej liczby. Badacze opisali uzyskamy kondensat jako perfekcyjnie czystą kratkę przeznaczoną dla kwantowej inżynierii.

„Jeśli na przykład ktoś chce zbudować kwantowe systemy przechowujące informację, potrzebuje tablicy na której można pisać, zanim sformatuje i umieści na niej dane” - tłumaczy naukowiec.

Zyska też chemia. „W tradycyjny sposób o chemii myśli się, mając na uwadze kilka atomów i cząsteczek, które się zderzają i tworzą nową molekułę. Ale w reżimie kwantowym wszystkie cząsteczki działają razem w kolektywnym zachowaniu. Otwiera to zupełnie nowe drogi badań tego, jak cząsteczki reagują, tworząc nowe związki” - podkreśla prof. Chin.

„To był mój cel odkąd byłem studentem, jesteśmy więc bardzo szczęśliwi z powodu tego dokonania” - dodaje.

Więcej informacji na stronach:

https://news.uchicago.edu/story/long-awaited-breakthrough-uchicago-scientists-harness-molecules-single-quantum-state

https://www.nature.com/articles/s41586-021-03443-0

Marek Matacz

mat/ zan/

Przed dodaniem komentarza prosimy o zapoznanie z Regulaminem forum serwisu Nauka w Polsce.

Copyright © Fundacja PAP 2024