Οι συγκρούσεις μεταξύ μορίων και ελεύθερων ατόμων κλειδί για τη δημιουργία κβαντικά εκφυλισμένου μοριακού αερίου

Η ψύξη ενός αερίου σε αρκετά χαμηλή θερμοκρασία το οδηγεί να εισέλθει στο αποκαλούμενο καθεστώς κβαντικού εκφυλισμού, όπου κυριαρχούν κβαντικές συμπεριφορές. Τα εκφυλισμένα αέρια που συνίστανται από φερμιόνια έχουν από πολύ καιρό κατασκευαστεί χρησιμοποιώντας φερμιονικά άτομα, όμως το να κάνεις το ίδιο με μόρια είναι πιο περίπλοκο λόγω των πολύπλοκων ενεργειακών δομών τους.

Τη προηγούμενη χρονιά, μια ομάδα στο JILA (Joint Institute for Laboratory Astrophysics) στο Colorado κατασκεύασε ένα εκφυλισμένο αέριο Fermi από μόρια καλίου-ρουβιδίου. Τώρα η ίδια ομάδα εξηγεί τους μηχανισμούς που τους επιτρέπει να καθιστούν το αέριό τους τόσο ψυχρό. Η εργασία δίνει μια διαδρομή για την ψύξη μοριακών αερίων σε ακόμη χαμηλότερες θερμοκρασίες και βαθύτερους εκφυλισμούς. Τα αέρια αυτά θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για τη μελέτη χημικών δυναμικών σε πλήρες κβαντικό καθεστώς και για να γίνουν έλεγχοι της κβαντικής φυσικής.

Για να κατασκευάσουν μοριακό αέριο Fermi, οι William Tobias, Kyle Matsuda και οι συνεργάτες τους προπαρασκεύασαν ξεχωριστά υπέρψυχρα αέρια ρουβιδίου (Rb) και καλίου (Κ). Στη συνέχεια συνδύασαν τα άτομα μέσω μια διαδικασίας δυο βημάτων: Πρώτον, σάρωσαν με μαγνητικό πεδίο από άκρη σε άκρη τα αέρια, διαμορφώνοντας ζεύγη χαλαρού δεσμού ατόμων Rb και K. Δεύτερον, εφάρμοσαν λέιζερ για να μεταφέρουν τα μόρια με χαλαρό δεσμό σε μια έντονα δεσμευμένη θεμελιώδη κατάσταση.

Η ομάδα βρήκε ότι η πυκνότητα και η θερμοκρασία του αρχικού αερίου Κ ήταν βασικά στον προσδιορισμό της τελικής θερμοκρασίας του μοριακού αερίου. Στα αέρια που έφθασαν στο καθεστώς κβαντικού εκφυλισμού, η πυκνότητα του Κ ήταν επαρκής για τα μόρια και τα απομένοντα άτομα Κ για να συγκρουστούν κατά μέσο όρο περίπου 6 φορές, με κάθε σύγκρουση να ψύχει περαιτέρω τα μόρια.

Η ομάδα επίσης παρατήρησε ένα χαρακτηριστικό των αερίων Fermi γνωστό ως αντι-συμπύκνωση (antibunching), με τα μόρια να παραμένουν διαχωρισμένα στο χώρο και στην ορμή. Η μέτρηση είναι μια πρωτιά για τα μόρια και παρέχει έναν εναλλακτικό τρόπο για τη μέτρηση της θερμοκρασίας του συστήματος.