Les gaz quantiques moléculaires (c’est-à-dire les gaz moléculaires ultrafroids et denses) ont de nombreuses applications potentielles, notamment le contrôle quantique des réactions chimiques, les mesures de précision, la simulation quantique et le traitement quantique de l’information. Pour les molécules, l’atteinte du régime quantique nécessite généralement un refroidissement efficace à des densités élevées. Dans une nouvelle étude, des physiciens du James Franck Institute de l’université de Chicago et de l’Institute of Opto-Electronics de l’université de Shanxi ont réussi à créer un condensat de Bose-Einstein bidimensionnel de molécules de césium en rotation.
Zhang et al. démontrent la transition longtemps recherchée entre les condensats atomiques et moléculaires, l’analogue bosonique du passage d’un condensat de Bose-Einstein à un superfluide de Bardeen-Cooper-Schrieffer dans un gaz de Fermi. Crédit image : Zhang et al., doi : 10.1038/s41586-021-03443-0.
En raison de leur structure énergétique riche, les molécules froides peuvent permettre des avancées en ingénierie et en chimie quantiques.
Une grande variété de plateformes a été développée pour piéger et refroidir les molécules froides.
Cependant, cette même structure énergétique riche provoque également des collisions réactives complexes qui entravent les tentatives expérimentales de refroidissement des molécules vers la dégénérescence quantique.
Une stratégie efficace pour préparer un gaz quantique moléculaire consiste à commencer par un gaz quantique atomique, puis à apparier les atomes en molécules.
“Les atomes sont de simples objets sphériques, alors que les molécules peuvent vibrer, tourner, porter de petits aimants”, a déclaré le professeur Cheng Chin, chercheur au James Franck Institute de l’Université de Chicago.
“Parce que les molécules peuvent faire tant de choses différentes, cela les rend plus utiles, et en même temps beaucoup plus difficiles à contrôler.”
“Les gens ont essayé de faire cela pendant des décennies, donc nous sommes très excités”, a-t-il ajouté.
“J’espère que cela ouvrira de nouveaux horizons dans la chimie quantique à corps multiples. Il y a des preuves qu’il y a beaucoup de découvertes qui attendent là-bas.”
Tout d’abord, le professeur Chin et ses collègues ont créé un condensat de Bose-Einstein d’atomes de césium (Cs) et l’ont refroidi à 10 nanokelvins.
Ensuite, ils ont produit des atomes de Cs2 en appariant des atomes de Cs condensés par Bose dans un piège bidimensionnel à fond plat.
“Typiquement, les molécules veulent se déplacer dans toutes les directions, et si vous le permettez, elles sont beaucoup moins stables”, a déclaré le professeur Chin.
“Nous avons confiné les molécules de façon à ce qu’elles se trouvent sur une surface bidimensionnelle et ne puissent se déplacer que dans deux directions.”
Le résultat était un ensemble de molécules virtuellement identiques – alignées avec exactement la même orientation, la même fréquence vibratoire, dans le même état quantique.
“Dans la manière traditionnelle de penser à la chimie, on pense à quelques atomes et molécules qui entrent en collision et forment une nouvelle molécule”, a déclaré le professeur Chin.
“Mais dans le régime quantique, toutes les molécules agissent ensemble, dans un comportement collectif. Cela ouvre une toute nouvelle voie pour explorer comment les molécules peuvent toutes réagir ensemble pour devenir un nouveau type de molécule.”
“C’est un de mes objectifs depuis que je suis étudiant, donc nous sommes très, très heureux de ce résultat.”
Les résultats sont publiés dans le journal Nature.
