Molekyylit, jotka on jäähdytetty lähelle absoluuttista nollapistettä, murskasivat juuri uuden fysiikan ennätyksen
kaksivaiheinen jäähdytysprosessi, jossa käytetään lasereita, on antanut fyysikoille mahdollisuuden painaa kalsiummonofluoridimolekyylejä ennätyksellisen alhaiseen lämpötilaan ja murtaa esteen, joka on tähän asti ollut läpäisemätön.
vuosikymmeniä sitten yksittäisten atomien jäähdyttäminen lähelle absoluuttista nollapistettä avasi hiukkasfyysikoille uuden tutkimusmaailman. Tämä uusin läpimurto voisi myös tarjota hedelmällisen pohjan oppia lisää siitä, miten atomit käyttäytyvät, kun ne sitoutuvat yhteen molekyyleinä.
Imperial College Londonin kylmän aineen keskuksen tutkijoiden suorittaman ennätysjäähdytyksen taustalla oleva prosessi ei ole kovin erilainen kuin atomien jäähdyttämiseen käytetyt prosessit.
liikkuva hiukkanen on kuuma hiukkanen, eli joko atomin tai molekyylin jäähdyttämiseksi on yksinkertaisesti hidastettava sen surinaa.
yksi tapa tehdä tämä on hyödyntää sitä, miten atomit absorboivat ja emittoivat valon kvanttia, jolloin ne mahdollisesti menettävät jonkin verran liikemäärää prosessissa.
tietylle taajuudelle viritetty laser on suunnattu magneettikentän vangitsemiin atomeihin.
jos atomi liikkuu poispäin valosta, sen kokema taajuus on Doppler siirtynyt hieman kohti spektrin punaista päätä. Jos hiukkanen liikkuu säteeseen, siihen osuva taajuus siirtyy kohti sinistä päätä.
taajuuden saaminen oikeaksi tarkoittaa, että atomit, jotka liikkuvat laseriin tietyllä nopeudella, voivat absorboida valon fotonin. Tämä räjäyttää yhden sen elektroneista uudelle energiatasolle, joka sitten alas tullessaan lähettää fotonin satunnaiseen suuntaan.
hiukkasille levittäytyneenä tämä fotonien emissio tarkoittaa atomien liikemäärän yleistä vähenemistä hidastaen niitä vähitellen.
tämä doppler-jäähdytykseksi kutsuttu prosessi voi saada hiukkaset vain niin kylmiksi, sillä fotonien emittoimassa menetettyä energiaa tasapainottaa atomien ansassa saama energia.
yksittäiset atomit voidaan jäähdyttää tämän niin sanotun Doppler-rajan yli useilla muilla tekniikoilla, jolloin fyysikot voivat saavuttaa tajunnanräjäyttäviä lämpötiloja, jotka ovat vain 50 biljoonasosaa kelvinistä eli 0,0000000005 astetta absoluuttisen nollapisteen yläpuolella.
mutta tähän asti fyysikot ovat vain onnistuneet pakottamaan atomit tekemään molekyylejä kylminä tai jäähdyttämään olemassa olevia strontiumfluoridimolekyylejä doppler-rajan ylittäviin lämpötiloihin.
monimutkaisempiin systeemeihin sidottuina atomit eivät vain reagoi yhtä luotettavasti samoihin jäähdytystemppuihin.
rajoja työntääkseen tutkijat pitivät kasan kalsiummonofluoridimolekyylejä paikoillaan magneettikenttien ja laserien yhdistelmällä, jota kutsuttiin magneto-optiseksi ansaksi.
tämä riitti viemään heidät Doppler-rajalle. Saadakseen ne viivan yli tutkijat käyttivät toista tekniikkaa nimeltä Sisyfos-jäähdytys.
jos muistatte kreikkalaisia myyttejänne, kuningas Sisyfos oli tuomittu sielu, jonka oli pakko työntää ikuisesti kivenlohkare vuorelle vain, jotta se vierisi alas toiselle puolelle, vain siksi, että hän oli sellainen hallitsija, joka mielellään murhasi vieraansa.
tämä ääretön treenirutiini on juuri sellainen asia, jolla niiden energian hiukkasia imetään.
vuoren sijasta fyysikot käyttävät vastakkaisia lasereita, jotka polarisoituvat siten, että hiukkanen pakotetaan energiamäkeä ylös menettäen samalla liikemäärän.
tämän ansiosta tutkijat pystyivät vetämään kalsiummonofluoridin lämpötilaan, joka oli 50 mikrokelviiniä eli 50 asteen miljoonasosaa absoluuttisen nollapisteen yläpuolella.
se on vielä kaukana siitä, miten kylmäksi yksittäiset atomit saadaan aikaan,mutta parempi kuin aiempi ennätys 400 mikrokelviiniä strontiumfluoridimolekyyleillä.
absoluuttisen nollan teoreettinen lämpötilaseinä on kuin Zenonin hiukkasfysiikan paradoksi-voimme aina leikata vain murto-osan energiasta liikkuvasta hiukkasesta, jolloin on matemaattinen mahdottomuus, että hiukkasella ei voisi koskaan olla lämpöä.
mutta venyminen kohti tätä ääretöntä päämäärää on antanut meille mahdollisuuden tutkia hiukkasia ennennäkemättömän yksityiskohtaisesti, näyttää outoja uusia käyttäytymismalleja ja antaa meille mahdollisuuden tutkia, miten niitä yhdessä pitävät voimat ylipäätään syntyvät.
epäilemättä tämä uusi raja auttaa laajentamaan tietämystämme siitä, miten kemia toimii perustasolla.
tämä tutkimus julkaistiin Nature Physics-lehdessä.
