500 de molecule au devenit o singură „superparticulă”. Experimentul care deschide o nouă frontieră a fizicii cuantice

Aproximativ 500 de molecule de sodiu și rubidiu au fost aduse într-o stare în care s-au comportat colectiv, aproape ca o singură particulă. Cercetătorii au creat un condensat Bose–Einstein molecular și au controlat interacțiunile dintre componentele sale, potrivit studiului publicat în Nature Physics.

Experimentul a fost realizat de specialiști de la Chinese University of Hong Kong, Academia Chineză de Științe și Ningbo University. Rezultatul nu schimbă legile mecanicii cuantice. El oferă însă o platformă nouă pentru testarea lor în sisteme moleculare complexe.

Condensatele Bose–Einstein sunt uneori descrise drept „superparticule”. Această formulare arată că particulele nu mai pot fi tratate ca obiecte complet independente. Stările lor cuantice se suprapun, iar întregul grup începe să se comporte ca un singur sistem coerent.

Cum au devenit moleculele o singură entitate cuantică

Condensatul Bose–Einstein apare atunci când particulele numite bosoni sunt răcite până foarte aproape de zero absolut. În asemenea condiții, mișcarea lor încetinește puternic. Lungimile lor de undă cuantice ajung să se suprapună.

Vezi și:

Pensia anticipată pentru femei în 2026. Ce acte trebuie depuse și când sunt necesare certificatele de naștere ale copiilor

În loc să ocupe stări diferite, numeroase particule intră în aceeași stare cuantică. Sistemul poate fi descris atunci printr-o singură funcție de undă. Efectele cuantice devin vizibile la o scară mai mare decât cea a unei particule individuale.

Condensatul Bose–Einstein este considerat una dintre numeroasele stări exotice ale materiei. Primele asemenea condensate au fost obținute în 1995 folosind gaze formate din atomi. Repetarea procesului cu molecule este mult mai dificilă.

Moleculele au o structură internă mai complexă. Ele se pot roti și vibra. În cazul moleculelor polare, sarcinile electrice sunt distribuite inegal. Aceste proprietăți permit interacțiuni mai bogate, dar fac sistemul mult mai greu de controlat.

Vezi și:

Cercetătorii au teleportat pentru prima dată o imagine prin 100 de canale cuantice simultan

Un nou experiment ar putea pune la încercare teoria gravitației a lui Einstein: cercetătorii vor să vadă cum „cade” o particulă exotică

Cercetătorii au folosit molecule de sodiu-rubidiu aflate în starea lor fundamentală. Gazul a fost ținut într-o capcană optică și răcit treptat. Echipa a obținut condensate formate din aproximativ 500 de molecule.

Două câmpuri de microunde au protejat experimentul

Cea mai mare problemă a fost reprezentată de coliziuni. Atunci când două molecule ultrareci se apropie prea mult, ele pot forma temporar un complex instabil. Moleculele dispar apoi din gaz, iar condensatul nu mai poate fi obținut.

Echipa a rezolvat problema printr-un sistem de protecție bazat pe două câmpuri de microunde. Primul câmp a creat un dipol electric rotativ. Al doilea a produs un dipol oscilant.

Combinația a redus pierderile provocate de coliziuni. În același timp, cercetătorii au putut regla forțele de atracție și respingere dintre molecule. Gazul a fost răcit prin evaporare, prin eliminarea treptată a particulelor cu cea mai mare energie.

Metoda seamănă cu răcirea unei băuturi fierbinți. Moleculele mai energice părăsesc sistemul, iar temperatura medie scade. În laborator, procesul a fost realizat la temperaturi extrem de apropiate de zero absolut.

Controlarea unui asemenea sistem permite studierea unor fenomene care par imposibile în lumea obișnuită. Alte experimente au arătat deja cum atomii pot exista în mai multe stări simultan. Noul rezultat extinde cercetarea către molecule polare, care pot interacționa de la distanțe mai mari.

Cercetătorii au creat și o picătură cuantică

După apariția condensatului, fizicienii au modificat interacțiunile dipolare. Sistemul a trecut dintr-o stare asemănătoare unui gaz într-o picătură cuantică legată de propriile forțe.

Picătura nu este un lichid obișnuit. Stabilitatea ei apare din echilibrul dintre atracția moleculelor, respingerea dintre ele și fluctuațiile cuantice. Sistemul poate rămâne unit fără să depindă permanent de o capcană externă.

Cercetătorii au identificat tranziția urmărind modul în care condensatul se extinde după eliberarea din capcană. Gazul se împrăștie. Picătura își păstrează însă o formă compactă datorită interacțiunilor dintre molecule.

Rezultatul se înscrie într-o serie de experimente dedicate materiei cuantice. Fizicienii au reușit anterior să transforme inclusiv lumina într-un supersolid, o stare care combină ordinea unui solid cu proprietățile unui fluid fără frecare.

Condensatul molecular ar putea fi folosit pentru simularea unor materiale greu de studiat direct. El poate ajuta și la analizarea materiei puternic corelate, în care comportamentul unei particule depinde de celelalte componente ale sistemului.

Posibilele aplicații includ simulatoare cuantice, senzori de mare precizie și noi metode de testare a fizicii fundamentale. Sunt însă perspective pe termen lung. Experimentul actual este, în primul rând, o demonstrație de control.

Cei aproximativ 500 de constituenți nu au devenit literalmente o moleculă uriașă. Ei au împărțit aceeași stare cuantică și au acționat colectiv. Tocmai această diferență transformă experimentul într-un pas important pentru studierea unei lumi în care regulile familiare nu mai sunt suficiente.

Bateria pe bază de apă care promite 30.000 de cicluri de încărcare a intrat în producție