Premières supermolécules tétratomiques réalisées à des températures nanokelvin

Une équipe d’expérimentateurs de l’Institut Max Planck d’optique quantique (MPQ) et de théoriciens de l’Académie chinoise des sciences (CAS) a réussi pour la première fois à peupler et à stabiliser un nouveau type de molécules, appelées molécules tétratomiques liées au champ. . Ces « supermolécules » sont si fragiles qu’elles ne peuvent exister qu’à des températures ultra-froides. Leur existence était soupçonnée depuis longtemps mais n’avait jamais été démontrée expérimentalement – ​​jusqu’à présent.

Les molécules polyatomiques créées dans cette nouvelle étude sont composées de plus de deux atomes et ont été refroidies avec succès jusqu’à 134 nanokelvins, soit plus de 3 000 fois plus froide que la température des molécules tétratomiques créées précédemment. Cette réalisation constitue non seulement une nouveauté en physique moléculaire, mais également une avancée significative dans l’étude de la matière exotique ultra-froide. La recherche est publié dans Nature.

Il y a environ vingt ans, le physicien théoricien américain John Bohn et ses collègues ont prédit un nouveau type de liaison entre molécules polaires : si les molécules portent une charge asymétriquement distribuée – ce que les physiciens appellent polarité – elles peuvent se combiner dans un champ électrique pour former des « supermolécules » faiblement liées. « .

Le comportement de ces molécules polaires peut être comparé à celui des aiguilles d’une boussole à l’intérieur d’une coque dure. Lorsqu’elles sont rapprochées, les aiguilles de la boussole subissent une attraction plus forte que le champ magnétique terrestre et elles pointent l’une vers l’autre au lieu de s’aligner vers le nord.

Un phénomène similaire peut être observé avec des molécules polaires qui, dans des conditions spécifiques, peuvent former un état lié unique via des forces électriques. Leur lien rappelle un peu celui d’un couple dansant se tenant étroitement tout en gardant constamment une certaine distance.

L’état lié des supermolécules est bien plus faible que les liaisons chimiques classiques, mais en même temps, il a une portée beaucoup plus longue. Les supermolécules partagent une longueur de liaison sur des distances plusieurs centaines de fois plus longues que les molécules normalement liées.

En raison de cette nature à longue portée, ces supermolécules sont très sensibles : si les paramètres du champ électrique ne sont que légèrement modifiés à une valeur critique, les forces entre les molécules changent radicalement – ​​un phénomène appelé « résonance liée au champ ».  » Cela permet aux chercheurs de faire varier de manière flexible la forme et la taille des molécules avec un champ micro-ondes.

Un jeu en trois parties : Des molécules diatomiques aux molécules tétratomiques

Les molécules polyatomiques ultra-froides contiennent une structure interne riche qui offre de nouvelles possibilités passionnantes en chimie froide, en mesures de précision et en traitement de l’information quantique. Cependant, leur grande complexité par rapport aux molécules diatomiques pose un défi majeur à l’emploi de techniques de refroidissement conventionnelles telles que le refroidissement laser direct et le refroidissement par évaporation.

Les chercheurs du « NaK Lab » (laboratoire de sodium et de potassium) du MPQ, dirigés par le Dr Xin-Yu Luo, le Dr Timon Hilker et le professeur Immanuel Bloch, ont réalisé une série de travaux pionniers et Nature-des découvertes publiées ces dernières années, qui ont été cruciales pour enfin relever ce défi.

Tout d’abord, en 2021, les chercheurs de ce laboratoire ont inventé une nouvelle technique de refroidissement des molécules polaires utilisant un champ micro-ondes rotatif de haute puissance, établissant ainsi un nouveau record de basse température : 21 milliardièmes de degré au-dessus du zéro absolu à moins 273,15 degrés Celsius.

Un an plus tard, les chercheurs ont réussi à créer les conditions nécessaires pour observer pour la première fois la signature de liaison entre ces molécules dans des expériences de diffusion. Cela a fourni la première preuve indirecte de l’existence de ces constructions exotiques théoriquement prédites depuis longtemps.

Aujourd’hui, il existe même des preuves directes puisque les chercheurs ont réussi à créer et à stabiliser ces supermolécules au cours de leur expérience. L’imagerie de ces « supermolécules » a révélé leur symétrie d’onde p, une caractéristique unique cruciale dans la réalisation de matériaux quantiques topologiques, qui à leur tour peuvent être pertinents pour le calcul quantique tolérant aux pannes.

« Cette recherche aura des implications immédiates et de grande envergure », déclare Xing-Yan Chen, Ph.D. Candidat et premier auteur de l’article. « Comme la méthode est applicable à un large éventail d’espèces moléculaires, elle permet d’explorer une variété beaucoup plus grande de molécules polyatomiques ultra-froides. À l’avenir, elle pourrait permettre de créer des molécules encore plus grosses et à durée de vie plus longue, ce qui serait particulièrement intéressant pour la précision. métrologie ou chimie quantique.

« Nous sommes parvenus à ces résultats grâce également à notre étroite collaboration avec le professeur Tao Shi et son équipe du CAS », ajoute le Dr Luo, chercheur principal de l’expérience. « Notre prochain objectif est de refroidir davantage ces « supermolécules » bosoniques pour former un condensat de Bose-Einstein (BEC), dans lequel les molécules se déplacent ensemble. Cette perspective recèle un potentiel important pour notre compréhension fondamentale de la physique quantique. Ce qui est plus étonnant, c’est qu’en En réglant simplement un champ micro-ondes, un BEC de « supermolécules » peut se transformer en un nouveau fluide quantique de molécules fermioniques préservant la symétrie particulière de l’onde p. »