برخورد میان مولکول‌ها و اتم‌های آزاد، دمای نهایی یک گاز فرمی مولکولی رقیق را تعیین می‌کند.

سرد کردن یک گاز تا دمایی به قدر کافی کم، باعث ورود آن به اصطلاحاً گستره چندگانه (تبهگن) کوانتومی^۱ می‌شود؛ که در آن، رفتارهای کوانتومی غالب است. مدت‌هاست که گازهای چندگانه تشکیل‌شده از فرمیون‌ها با استفاده از اتم‌های فرمیونی ساخته شده‌اند؛ ولی انجام این کار با استفاده از مولکول‌ها، به خاطر ساختار‌های پیچیده‌ی انرژی‌شان، دقت بیش‌تری می‌طلبد. سال پیش، تیمی از JILA در کولورادو، یک گاز فرمی چندگانه (تبهگن) از مولکول‌های پتاسیم-روبیدیوم ساخت. اکنون همان تیم، سازوکار‌هایی را که به آنان اجازه می‌دهد که گازشان را آن چنان سرد کنند، توضیح می‌دهند. این کار، راهی برای سرمایش گازهای مولکولی، حتی تا دماهای کم‌تر و تبهگنی ژرف‌تر، فراهم ‌می‌کند. این گازها را می‌توان برای مطالعه‌ی دینامیک شیمیایی در یک گستره کاملاً کوانتومی و نیز برای انجام آزمایش‌های بنیادی در فیزیک کوانتومی به کار برد.

ویلیام توبیاس^۲، کایل ماستودا^۳ و همکاران‌شان، برای ساخت یک گاز فرمی مولکولی چندگانه، گازهای فراسرد جداگانه‌ای از روبیدیوم (Rb) و پتاسیم (K) آماده کردند. سپس این اتم‌ها را از راه یک فرآیند دوگامی با هم آمیختند. نخست، یک میدان مغناطیسی را از میان گازها گذراندند تا جفت‌های سست‌مقیدی از اتم‌های Rb و K تشکیل شوند. سپس، با به‌کارگیری لیزر، مولکول‌های سست‌مقید به حالت پایه‌ی ژرف‌مقیدی تراگذر کردند.

این تیم دریافته‌است که چگالی و دمای گاز پتاسیم اولیه، در تعیین دمای نهایی گاز مولکولی، کلیدی است. در گازهایی که به گستره کوانتومی چندگانه می‌رسیدند، چگالی پتاسیم، به قدری بوده که مولکول‌های پتاسیم-روبیدیوم و اتم‌های باقی‌مانده‌ی پتاسیم، به طور میانگین ۶ بار با هم برخورد کنند؛ زیرا که هر برخوردی مولکول‌ها را سردتر می‌کند.

این تیم، ویژگی‌ای از گازهای فرمی، معروف به پادخوشه‌بندی^۴ را نیز مشاهده کردند که در آن، مولکول‌ها در فضا و تکانه، تفکیک‌شده می‌مانند. این، نخستین باری است که این ویژگی برای مولکول‌ها اندازه‌گیری می‌شود و راهی جای‌گزین برای اندازه‌گیری دمای سیستم فراهم می‌کند.

این پژوهش در Physical Review Letters انتشار یافته‌است.

منبع: Collisions Key in Creating a Quantum Degenerate Gas from Molecules

مرجع: Thermalization and Sub-Poissonian Density Fluctuations in a Degenerate Molecular Fermi Gas

1. quantum degenerate regime

2. William Tobias

3. Kyle Matsuda

4. antibunching