Molekyler kølet tæt på absolut nul smadrede bare en ny Fysikrekord
en totrins køleproces ved hjælp af lasere har gjort det muligt for fysikere at skubbe molekyler af calciummonofluorid ned til en rekord lav temperatur og sprænge en barriere, der indtil nu har været umulig.
for årtier siden åbnede nedkøling af individuelle atomer til næsten absolut nul en ny forskningsverden for partikelfysikere. Dette seneste gennembrud kunne også give frugtbar grund til at lære mere om, hvordan atomer opfører sig, når de er bundet sammen som molekyler.
processen bag rekordkøling udført af forskere fra Center for Cold Matter ved Imperial College London er ikke så forskellig fra dem, der bruges til at afkøle atomer.
en bevægende partikel er en varm partikel, hvilket betyder at køle ned enten et atom eller et molekyle, du simpelthen nødt til at bremse sin summende.
en måde at gøre dette på er at drage fordel af, hvordan atomer absorberer og udsender kvantum af lys, hvilket potentielt mister noget momentum i processen.
en laser indstillet til en bestemt frekvens er rettet mod atomer fanget i et begrænset rum af et magnetfelt.
hvis atomet bevæger sig væk fra lyset, er frekvensen det oplever Doppler forskudt lidt mod den røde ende af spektret. Hvis partiklen bevæger sig ind i strålen, skifter frekvensen, der rammer den, mod den blå ende.
at få den frekvens rigtigt betyder, at atomer, der bevæger sig ind i laseren med en given hastighed, kan absorbere en foton af lys. Dette støder en af sine elektroner op til et nyt energiniveau, som derefter udsender en foton i en tilfældig retning, når den kommer ned.
spredt ud over partiklerne betyder denne emission af fotoner et samlet fald i momentum for atomerne og gradvist sænker dem ned.
denne proces kaldet Doppler-afkøling kan kun få partikler så kolde, da den energi, der går tabt ved at udsende fotoner, afbalanceres af den energi, atomerne modtager i fælden.
individuelle atomer kan afkøles ud over denne såkaldte Doppler-grænse med forskellige andre teknikker, der gør det muligt for fysikere at nå forbløffende temperaturer på kun 50 billioner af en kelvin eller 0,0000000005 grader over absolut nul.
men indtil nu har fysikere kun formået at tvinge atomer til at lave molekyler, mens de er kolde eller afkølede eksisterende molekyler af strontiumfluorid til temperaturer over Doppler-grænsen.
bundet sammen til mere komplekse systemer, reagerer atomer bare ikke så pålideligt på de samme køletricks.
for at skubbe grænserne holdt forskere en flok calciummonofluoridmolekyler på plads ved hjælp af en kombination af magnetfelter og lasere kaldet en magneto-optisk fælde.
dette var nok til at tage dem ned til Doppler-grænsen. For at få dem over linjen brugte forskerne en anden teknik kaldet Sisyphus cooling.
hvis du husker dine græske myter, var Kong Sisyfos den dødsdømte sjæl, der blev tvunget til evigt at skubbe en kampesten op ad et bjerg kun for at rulle ned ad den anden side, alt sammen fordi han var den slags hersker, der kunne lide at myrde sine gæster.
denne uendelige træningsrutine er bare den slags ting at sap partikler af deres energi.
i stedet for et bjerg bruger fysikere et par modstående lasere polariseret på en sådan måde at tvinge en partikel op ad en energibakke og miste momentum i processen.
dette gjorde det muligt for forskerne at trække calciummonofluoridet ned til temperaturer på 50 mikrokelvin eller 50 milliontedele af en grad over absolut nul.
det er stadig langt fra, hvor koldt vi kan lave individuelle atomer, men det er bedre end den tidligere rekord på 400 mikrokelvin opnået med strontiumfluoridmolekyler.
den teoretiske temperaturvæg af absolut nul er som et paradoks for partikelfysik – vi kan kun skære en brøkdel af energien fra en bevægende partikel, hvilket gør det til en matematisk umulighed, at en partikel nogensinde ikke kunne have nogen varme.
men at strække sig mod det uendelige mål har gjort det muligt for os at studere partikler i hidtil uset detaljer, vise mærkelig ny adfærd og give os mulighed for at studere, hvordan kræfter, der holder dem sammen, opstår i første omgang.
denne nye grænse vil uden tvivl hjælpe med at udvide vores viden om, hvordan Kemi fungerer på et grundlæggende niveau.
denne forskning blev offentliggjort i Nature Physics.
