いわゆる超分子の存在は、長い間、理論的に予測されてきた。今回、ミュンヘンの研究チームが、このエキゾチックな存在を証明するための条件を初めて整えることに成功した。 The existence of so-called super molecules has long been predicted theoretically. Now, a Munich team of researchers managed for the first time to create the conditions for proving these exotic entities.
2023-02-06 ミュンヘン大学（LMU）
◆約20年前、米国の科学者ジョン・ボーンらは、理論的考察と計算に基づいて、分子の新しい特異性を予言した。分子が非対称に分布する電荷（物理学者はこれを極性と呼ぶ）を持っていれば、電場中で結合して弱く結合した「超分子」を形成することができるのである。しかしこれまで、この予測を実験的に確認することはできなかった。このたび、Xin-Yu LuoとLMUの物理学者Immanuel Bloch（MPQ所長、量子多体系部門長）が率いる研究チームは、他の分子と比較して巨大なこのような構造体の存在を初めて示唆する現象を発見した。
◆研究者らは、双極性分子の超低温ガスに変形可能なマイクロ波磁場を照射したところ、ガスの性質が大きく変化し、まさに「超分子」が形成されるはずの磁場パラメータにおいて、そのような変化が起こることを発見したのである。
理論的にはこう予測される。電界を適切に設定すると、2つの分子はある距離で互いに結合する。このとき、「電界結合分子」が短時間のうちに生成される。この分子は、結合していない単一分子の最大数百倍の大きさになることがある。電場のパラメータを臨界値で少し変えると、個々の分子間の力が劇的に変化する。これを科学者たちは「電界連動共鳴」と呼び、共鳴現象と呼んでいる。
◆今回の実験で、MPQの研究チームは、マイクロ波磁場の周波数や形状を調整することによって、ナトリウム-カリウム分子の衝突特性が変化することも見いだした。そこで研究者たちは、レーザー光の定在波で分子ガスを撹乱し、分子同士の衝突によって撹乱が再び消滅するまでの時間を観察した。この実験で博士号を取得した陳興燕は、「超低温分子間の相互作用を制御できるチューニングノブを見つけることは、我々量子物理学者にとって非常に重要なことです」と言う。
◆回転する磁場:この理論は広く受け入れられているが、これまで、このような共鳴を実験で観察することはできなかった。研究チームのもう一人の研究者であるアンドレアス・シンデウォルフ博士は、「電界結合分子を形成するには、非常に高い電界強度が必要だと考えられていました」と説明する。「マイクロ波電界は通常、時計の針のように円を描くように回転しています」。
◆科学者達は、2022年に、超低温分子を安定化させるために、このような場を用いて、世界で最も冷たい双極子分子を作りました。”驚くべきことに、マイクロ波磁場の意図しない変形(楕円の文字盤を持つ時計への移行のような)が、共鳴挙動を誘発することを発見しました。”とSchindewolfは報告しています。この観察に刺激された研究者たちは、特殊なマイクロ波アンテナを開発し、電界を制御して変形させることで、共振の特性を明らかにすることに成功したのである。
◆エキゾチック量子物質の生成:LMUの物理学者イマニュエル・ブロッホは、「電界結合共鳴によって極性分子間の相互作用を制御できるようになったことで、エキゾチック量子物質を実験的に生成できるようになりました」と話す。将来的には、分子ガスに超流動特性を持たせることも可能になるはずです」とLMUの物理学者Immanuel Blochは語っている。”超流動体や超伝導体で粒子がどのようにペアリングするかについて、さらなる洞察が得られるでしょう。”
◆”磁場連動共鳴によって、超流動と固体の特性を同時に示す状態、いわゆるスーパーソリッドを分子で実現することもできるかもしれません。”と、Xin-Yu Luoは言っています。研究者らは最終的に、この共鳴を利用して個々の分子を電場結合した分子に特異的に結合させ、超分子を安定化させ、その特異な量子特性を利用することを目標としている。
＜関連情報＞
- https://www.lmu.de/en/newsroom/news-overview/news/quantum-physics-microwaves-direct-the-interplay-of-waltzing-molecules.html
- https://www.nature.com/articles/s41586-022-05651-8
極性分子の電界結合型共鳴 Field-linked resonances of polar molecules
Xing-Yan Chen,Andreas Schindewolf,Sebastian Eppelt,Roman Bause,Marcel Duda,Shrestha Biswas,Tijs Karman,Timon Hilker,Immanuel Bloch & Xin-Yu Luo
Nature Published:01 February 2023
DOI:https://doi.org/10.1038/s41586-022-05651-8
Abstract
Scattering resonances are an essential tool for controlling the interactions of ultracold atoms and molecules. However, conventional Feshbach scattering resonances1, which have been extensively studied in various platforms1,2,3,4,5,6,7, are not expected to exist in most ultracold polar molecules because of the fast loss that occurs when two molecules approach at a close distance8,9,10. Here we demonstrate a new type of scattering resonance that is universal for a wide range of polar molecules. The so-called field-linked resonances11,12,13,14 occur in the scattering of microwave-dressed molecules because of stable macroscopic tetramer states in the intermolecular potential. We identify two resonances between ultracold ground-state sodium–potassium molecules and use the microwave frequencies and polarizations to tune the inelastic collision rate by three orders of magnitude, from the unitary limit to well below the universal regime. The field-linked resonance provides a tuning knob to independently control the elastic contact interaction and the dipole–dipole interaction, which we observe as a modification in the thermalization rate. Our result provides a general strategy for resonant scattering between ultracold polar molecules, which paves the way for realizing dipolar superfluids15 and molecular supersolids16, as well as assembling ultracold polyatomic molecules.
