콜롬비아에서 독특한 양자 상황이 나타났습니다.

물리학자들 컬럼비아대학교 그들은 분자를 새로운 극저온으로 끌어올려 양자 역학이 지배하는 물질 상태를 만들었습니다.

베이컨, 계란, 치즈와는 전혀 관련이 없는 흥미로운 새로운 BEC가 마을에 있습니다. 지역 백화점에서는 찾을 수 없지만 뉴욕에서 가장 추운 곳인 컬럼비아 대학의 물리학자 Sebastian Weyl의 실험실에서 찾을 수 있습니다. 그의 실험 그룹은 원자와 분자를 단지 몇 분의 1도 더 높은 온도로 밀어내는 것을 전문으로 합니다. 절대 영도.

쓰기 자연Will의 연구실은 네덜란드 Radboud 대학의 이론 공동 연구자인 Tijs Karman의 지원을 받아 분자로부터 Bose-Einstein 응축물(BEC)이라는 독특한 양자 상태를 만드는 데 성공했습니다.

보스-아인슈타인 응축물의 획기적인 발전

그들의 BEC는 5나노켈빈(화씨 -459.66도)까지 냉각되었으며, 놀라울 정도로 긴 2초 동안 안정적이며 나트륨과 세슘 분자로 만들어졌습니다. 물 분자와 마찬가지로 이 분자도 극성을 띠고 있습니다. 즉, 양전하와 음전하를 모두 운반합니다. Weil은 전하의 불균형한 분포가 가장 흥미로운 물리학을 구성하는 장거리 상호 작용을 촉진한다고 지적했습니다.

Weill Lab이 Bose-Einstein Molecular를 통해 추진하게 된 연구에는 마찰을 겪지 않고 흐르는 물질 상태인 새로운 유형의 초유체를 포함하여 다양한 양자 현상을 탐구하는 것이 포함됩니다. 그들은 또한 보스-아인슈타인을 고체 결정과 같은 더 복잡한 물질의 불가사의한 양자 특성을 재현할 수 있는 시뮬레이터로 전환하기를 희망합니다.

컬럼비아 대학교 물리학자들은 마이크로파의 도움으로 나트륨과 세슘 분자로부터 독특한 물질 상태인 보스-아인슈타인 응축물을 만들었습니다. 이미지 출처: Well Lab, Columbia University/Miles Marshall

“분자 보스-아인슈타인 응축물은 기초 물리학의 진정한 이해에서부터 강력한 양자 시뮬레이션 개발에 이르기까지 완전히 새로운 연구 분야를 열어줍니다.”라고 그는 말했습니다. “이것은 매우 흥미로운 성과이지만 실제로는 시작에 불과합니다.”

이는 Weill Lab의 꿈이 실현된 것이며, 더 큰 초저온 연구 커뮤니티를 만들기 위한 10년의 과정입니다.

한 세기에 걸친 초저온 분자 개발

BEC의 과학은 물리학자 Satyendra Nath Bose와 Albert Einstein까지 100년 전으로 거슬러 올라갑니다. 1924년과 1925년에 발표된 일련의 논문에서 그들은 정지 상태에 가깝게 냉각된 입자 집합이 양자역학 법칙에 따라 공통된 특성과 행동을 갖는 하나의 더 큰 원자로 합쳐질 것이라고 예측했습니다. BEC가 만들어질 수 있다면 연구자들에게 개별 원자나 분자보다 더 접근하기 쉬운 규모로 양자 역학을 탐구할 수 있는 매력적인 플랫폼을 제공할 것입니다.

최초의 이론적 예측 이후 약 70년이 걸렸지만 최초의 원자 BEC는 1995년에 만들어졌습니다. 이 성과는 Weill이 마인츠 대학에서 물리학을 시작할 무렵인 2001년에 노벨 물리학상으로 인정되었습니다. 독일에서. 현재 실험실에서는 여러 가지 다른 유형의 원자로부터 보스-아인슈타인 원자를 일상적으로 제조하고 있습니다. 이러한 BEC는 물질 및 초유체의 파동 특성과 같은 개념에 대한 이해를 확장했으며, 몇 가지 예를 들면 양자 가스 현미경 및 양자 시뮬레이터와 같은 기술 개발로 이어졌습니다.

왼쪽에서 오른쪽으로: 부연구원 Ian Stevenson; 박사과정 학생 Niccolò Bigagli; 박사과정 학생 Weijun Yuan; 대학생 Boris Bulatovich; 박사과정 학생 Siwei Zhang; 수석 조사관 Sebastian Weil. 표시되지 않음: Tejce Kerman. 신용: 컬럼비아 대학교

그러나 사물의 거대한 계획에서 원자는 상대적으로 단순합니다. 그것들은 둥근 물체이며 일반적으로 극성으로 인해 발생할 수 있는 상호 작용을 포함하지 않습니다. 최초의 원자 BEC가 달성된 이후 과학자들은 분자로 구성된 보다 복잡한 버전을 만들고 싶어했습니다. 그러나 서로 결합된 서로 다른 원소의 두 원자로 구성된 단순한 이원자 분자라도 적절한 BEC를 형성하는 데 필요한 온도 이하로 냉각하기가 어렵다는 것이 입증되었습니다.

첫 번째 돌파구는 2008년 콜로라도 볼더에 있는 Gila 연구소의 물리학자인 Deborah Jin과 Jun Yi가 칼륨과 루비듐 분자로 구성된 가스를 약 350나노켈빈으로 냉각했을 때 이루어졌습니다. 이러한 초저온 분자는 최근 몇 년간 양자 시뮬레이션, 분자 충돌 및 양자 화학 연구에 유용한 것으로 입증되었지만 BEC 임계값을 넘기 위해서는 더 낮은 온도가 필요했습니다.

2023년에는 윌스랩(Will’s Lab)을 설립했다. 최초의 극저온 가스 Jin Wei의 접근 방식과 유사하게 레이저 냉각과 자기 조작을 결합하여 그들이 선택한 분자인 나트륨과 세슘을 추출했습니다. 더 시원하게 만들기 위해 전자레인지를 가져왔습니다.

전자레인지를 통한 혁신

마이크로파는 전자기 방사선의 한 형태이며 콜롬비아에서는 오랜 역사를 가지고 있습니다. 1930년대에 나중에 노벨 물리학상을 수상한 물리학자 Isidore Isaac Rabi는 전자레인지 분야에서 선구적인 연구를 수행하여 공중 레이더 시스템의 개발을 이끌었습니다. “Rabe는 분자의 양자 상태를 최초로 마스터한 사람 중 한 명이며 마이크로파 연구의 선구자였습니다.”라고 Weil은 말했습니다. “우리 사업은 90년의 전통을 따릅니다.”

음식을 가열하는 데 있어서 전자레인지의 역할에 대해 잘 알고 계시더라도 전자레인지가 냉각 과정을 촉진할 수도 있다는 것이 밝혀졌습니다. 개별 분자는 서로 충돌하는 경향이 있으며 결과적으로 샘플에서 사라지는 더 큰 복합체를 형성합니다. 전자레인지는 각 분자 주위에 작은 방패를 만들어 충돌을 방지할 수 있는데, 이는 네덜란드의 동료인 Karman이 제안한 아이디어입니다. 누락된 충돌로부터 분자를 보호하면 가장 뜨거운 분자만 샘플에서 우선적으로 제거될 수 있습니다. 이는 커피잔 위에 바람을 불어넣을 때 커피잔을 식히는 것과 동일한 물리적 원리라고 저자 Niccolò Bigagli는 설명합니다. 남은 분자는 더 차가워지고 샘플의 전체 온도는 감소합니다.

팀은 지난 가을에 발표된 연구에서 분자 BEC를 만드는 데 가까워졌습니다. 자연 물리학 마이크로파 차폐 방식을 도입한 것입니다. 그러나 또 다른 실험적 개발이 필요했습니다. 두 번째 마이크로파장을 추가하자 냉각 효율이 더욱 향상되었고, 세슘 나트륨은 마침내 BEC 임계값을 넘었습니다. 이는 Weil Lab이 2018년 컬럼비아에 설립된 이후 달성한 목표입니다.

이번 봄에 물리학 박사 학위를 취득하고 연구실의 창립 멤버였던 Bigagli는 “이것은 나에게 훌륭한 피날레였습니다.”라고 말했습니다. “우리는 아직 실험실이 없었기 때문에 이러한 놀라운 결과를 얻었습니다.”

충돌을 줄이는 것 외에도 두 번째 마이크로파 장은 분자의 방향을 제어할 수도 있습니다. 이는 결국 실험실에서 현재 탐색 중인 상호 작용 방식을 제어하는 ​​방법입니다. 공동 저자이자 컬럼비아 대학의 박사후 연구원인 이안 스티븐슨(Ian Stevenson)은 “이러한 쌍극자 상호 작용을 제어함으로써 우리는 물질의 새로운 양자 상태와 단계를 생성할 수 있기를 희망합니다.”라고 말했습니다.

양자물리학의 새로운 세계가 열린다

볼더에 기반을 둔 초저온 과학의 선구자인 Yi는 그 결과를 아름다운 과학 작품이라고 생각합니다. “이 연구는 양자 화학 연구와 강하게 결합된 양자 물질의 탐구를 포함하여 여러 과학 분야에 중요한 의미를 가질 것입니다.”라고 그는 말했습니다. “Weill의 실험은 분자 상호 작용을 정밀하게 제어하여 시스템을 원하는 결과로 유도하는 기능을 갖추고 있으며 이는 양자 제어 기술의 놀라운 성과입니다.”

한편 컬럼비아 팀은 실험적으로 검증된 분자간 상호 작용에 대한 이론적 설명을 갖게 되어 기쁘게 생각합니다. “우리는 이미 이 시스템의 상호작용에 대해 좋은 아이디어를 갖고 있으며, 이는 다극체의 물리학 탐구와 같은 다음 단계에도 중요합니다.”라고 Kerman은 말했습니다. “우리는 반응을 제어하기 위한 계획을 고안하고 이론적으로 테스트한 후 실험에 구현했습니다. 이러한 마이크로파 ‘보호’ 아이디어가 실험실에서 실현되는 것을 보는 것은 정말 멋진 경험이었습니다.”

현재 분자 BEC를 사용하여 실험적으로 테스트할 수 있는 수십 가지 이론적 예측이 있으며, 공동 제1저자이자 박사 과정 학생인 Siwei Zhang은 상당히 안정적이라고 지적합니다. 대부분의 초저온 실험은 1초 이내에 수행되고 일부는 몇 밀리초 정도로 짧지만 실험실의 BEC 분자 반응은 2초 이상 지속됩니다. “이를 통해 우리는 양자 물리학의 미해결 문제를 조사할 수 있게 될 것입니다.”라고 그는 말했습니다.

한 가지 아이디어는 레이저로 만들어진 광학 격자에 갇힌 인공 보스-아인슈타인 결정을 만드는 것입니다. 이는 천연 결정의 상호 작용을 모방하는 강력한 양자 시뮬레이션을 가능하게 하며 응집 물질 물리학의 초점 영역이라고 Weil은 지적했습니다. 양자 시뮬레이터는 일반적으로 원자를 사용하여 만들어지지만 원자는 실제로 서로 포개져 있어야 하는 단거리 상호 작용을 가지므로 더 복잡한 재료를 모델링할 수 있는 범위가 제한됩니다. Weil은 “분자 BEC는 더 많은 맛을 제공할 것입니다.”라고 말했습니다.

공동 제1저자이자 박사과정 학생인 Weijun Yuan은 여기에는 차원이 포함된다고 말했습니다. “우리는 2D 시스템에서 BEC를 사용하고 싶습니다. 3D에서 2D로 전환할 때마다 2D 재료는 분자로 구성된 모델 시스템을 갖춘 연구의 주요 영역입니다. BEC는 초전도성, 초유체성 등을 포함한 양자 현상을 집중적으로 탐구하는 문제에서 Weil과 그의 동료를 도울 수 있습니다.

“완전히 새로운 가능성의 세계가 열리는 것 같습니다.”라고 Will은 말했습니다.

참고 자료: Niccolò Bigagli, Weijun Yuan, Siwei Zhang, Boris Bulatovic, Tess Carman, Ian Stevenson 및 Sebastian Weyl의 “쌍극자 입자의 보스-아인슈타인 응축물 관찰”, 2024년 6월 3일, 자연.
도이: 10.1038/s41586-024-07492-z