Max Planck Kuantum Optik Enstitüsü (MPQ) araştırmacıları ve Çin Bilimler Akademisi (CAS) teorisyenlerinden oluşan bir ekip, alan bağlantılı tetratomik moleküller olarak adlandırılan yeni bir molekül türünü ilk kez oluşturmayı ve stabilize etmeyi başardı. Bu “süper moleküller” o kadar kırılgan ki sadece ultra soğuk sıcaklıklarda var olabiliyorlar. Varlıklarından uzun zamandır şüpheleniliyordu ancak şimdiye kadar deneysel olarak hiç gösterilmemişlerdi.
Bu yeni çalışmada yaratılan poliatomik moleküller ikiden fazla atomdan oluşuyor ve 134 nanokelvine kadar başarıyla soğutuldu – daha önce yaratılan tetratomik moleküllerin sıcaklığından 3.000 kat daha soğuk. Bu başarı sadece moleküler fizikte yeni bir başarı değil, aynı zamanda egzotik ultra soğuk madde çalışmalarında da önemli bir adımdır. Araştırma Nature dergisinde yayımlandı.
Yaklaşık yirmi yıl önce Amerikalı teorik fizikçi John Bohn ve meslektaşları polar moleküller arasında yeni bir bağlanma türü öngörmüşlerdi: Eğer moleküller asimetrik olarak dağılmış bir yük taşıyorsa -ki fizikçiler buna polarite diyor- bir elektrik alanında birleşerek zayıf bir şekilde bağlanmış “süper moleküller” oluşturabilirler.
Bu polar moleküllerin davranışı, sert bir kabuğun içindeki pusula iğneleri gibi düşünülebilir. Birbirlerine yaklaştırıldıklarında pusula iğneleri Dünya’nın manyetik alanından daha güçlü bir çekime maruz kalır ve kuzeye doğru hizalanmak yerine birbirlerini işaret ederler.
Benzer bir olgu, belirli koşullar altında elektriksel kuvvetler aracılığıyla benzersiz bir bağlı durum oluşturabilen kutup moleküllerinde de gözlemlenebilir. Aralarındaki bağ, dans eden bir çiftin birbirini sıkıca tutarken aynı zamanda sürekli olarak belirli bir mesafeyi korumasını andırır.
Süper moleküllerin bağlanma durumu tipik kimyasal bağlardan çok daha zayıftır, ancak aynı zamanda çok daha uzun sürelidir. Süpermoleküller, normal bağlı moleküllerden birkaç yüz kat daha uzun mesafeler boyunca bir bağ uzunluğunu paylaşırlar.
Bu uzun menzilli yapı nedeniyle, bu tür süper moleküller oldukça hassastır: Elektrik alanının parametreleri kritik bir değerde çok az değiştirilirse, moleküller arasındaki kuvvetler dramatik bir şekilde değişir; bu fenomen “alan bağlantılı rezonans” olarak adlandırılır. Bu da araştırmacıların bir mikrodalga alanıyla moleküllerin şeklini ve boyutunu esnek bir şekilde değiştirebilmelerini sağlıyor.
Üç bölümden oluşan bir oyun: Diyatomik moleküllerden tetratomik moleküllere
Ultra soğuk poliatomik moleküller, soğuk kimya, hassas ölçümler ve kuantum bilgi işlemede heyecan verici yeni olanaklar sunan zengin bir iç yapıya sahiptir. Bununla birlikte, iki atomlu moleküllere kıyasla yüksek karmaşıklıkları, doğrudan lazer soğutma ve buharlaştırmalı soğutma gibi geleneksel soğutma tekniklerinin kullanılmasında büyük bir zorluk teşkil etmektedir.
Dr. Xin-Yu Luo, Dr. Timon Hilker ve Prof. Immanuel Bloch liderliğindeki MPQ’daki “NaK Lab” (sodyum potasyum laboratuvarı) araştırmacıları, son yıllarda bu zorluğun üstesinden gelmek için çok önemli olan bir dizi öncü ve Nature tarafından yayınlanan keşifler gerçekleştirdiler.
İlk olarak, 2021 yılında bu laboratuvardaki araştırmacılar, yüksek güçlü dönen bir mikrodalga alanı kullanarak polar moleküller için yeni bir soğutma tekniği icat ettiler ve böylece yeni bir düşük sıcaklık rekoru kırdılar: eksi 273.15 santigrat derecede mutlak sıfırın 21 milyarda biri.
Bir yıl sonra araştırmacılar, saçılma deneylerinde bu moleküller arasındaki bağlanma imzasını ilk kez gözlemlemek için gerekli koşulları yaratmayı başardılar. Bu, teorik olarak uzun zamandır öngörülen bu egzotik yapıların varlığına dair ilk dolaylı kanıtı sağladı.
Şimdi ise, araştırmacılar deneylerinde bu süper molekülleri yaratıp stabilize edebildikleri için doğrudan kanıtlar bile var. Bu “süper moleküllerin” görüntülenmesi, topolojik kuantum malzemelerin gerçekleştirilmesinde çok önemli olan ve hataya dayanıklı kuantum hesaplama ile ilgili olabilecek benzersiz bir özellik olan p-dalga simetrisini ortaya çıkardı.
Doktora adayı ve makalenin ilk yazarı Xing-Yan Chen, “Bu araştırmanın acil ve geniş kapsamlı etkileri olacak” diyor. “Yöntem çok çeşitli moleküler türlere uygulanabildiğinden, çok daha çeşitli ultra soğuk poliatomik moleküllerin keşfedilmesine olanak tanıyor. Gelecekte, özellikle hassas metroloji veya kuantum kimyası için ilginç olabilecek daha büyük ve daha uzun ömürlü moleküllerin yaratılmasına olanak sağlayabilir.”
Deneyin baş araştırmacısı Dr. Luo, “Bu bulgulara CAS’tan Profesör Tao Shi ve ekibiyle yaptığımız yakın işbirliği sayesinde ulaştık. Bir sonraki hedefimiz bu bozonik ‘süpermolekülleri’ daha da soğutarak moleküllerin birlikte hareket ettiği bir Bose-Einstein yoğuşması (BEC) oluşturmak. Bu olasılık, kuantum fiziğine ilişkin temel anlayışımız açısından önemli bir potansiyele sahiptir. Daha da şaşırtıcı olanı, sadece bir mikrodalga alanını ayarlayarak, ‘süpermoleküllerden’ oluşan bir BEC’in, özel p-dalgası simetrisini koruyan fermiyonik moleküllerden oluşan yeni bir kuantum sıvısına dönüşebilmesidir.” dedi.
Yorumlar