Molecole refrigerate vicino allo zero assoluto Appena fracassato un nuovo record di fisica

Un processo di raffreddamento in due fasi utilizzando laser ha permesso ai fisici di spingere molecole di monofluoruro di calcio fino a una temperatura record bassa, rompendo una barriera che fino ad ora è stata invalicabile.

Decenni fa, agghiacciante singoli atomi a quasi zero assoluto ha aperto un nuovo mondo di ricerca per i fisici delle particelle. Questo ultimo passo avanti potrebbe anche fornire terreno fertile per imparare di più su come gli atomi si comportano quando legati insieme come molecole.

Il processo alla base del raffreddamento record eseguito dai ricercatori del Centre for Cold Matter dell’Imperial College di Londra non è poi così diverso da quelli usati per raffreddare gli atomi.

Una particella in movimento è una particella calda, il che significa che per raffreddare un atomo o una molecola è sufficiente rallentare il suo ronzio.

Un modo per farlo è sfruttare il modo in cui gli atomi assorbono ed emettono quanti di luce, potenzialmente perdendo un po ‘ di slancio nel processo.

Un laser sintonizzato su una particolare frequenza è rivolto agli atomi intrappolati in uno spazio ristretto da un campo magnetico.

Se l’atomo si sta allontanando dalla luce, la frequenza che sperimenta è Doppler spostata leggermente verso l’estremità rossa dello spettro. Se la particella si muove nel raggio, la frequenza che la colpisce si sposta verso l’estremità blu.

Ottenere quella frequenza giusta significa che gli atomi che si muovono nel laser ad una data velocità possono assorbire un fotone di luce. Questo solleva uno dei suoi elettroni ad un nuovo livello di energia, che poi emette un fotone in una direzione casuale quando scende.

Distribuito sulle particelle, questa emissione di fotoni significa una diminuzione complessiva della quantità di moto per gli atomi, rallentandoli gradualmente.

Questo processo chiamato raffreddamento Doppler può ottenere solo particelle così fredde, poiché l’energia persa emettendo fotoni è bilanciata dall’energia che gli atomi ricevono nella trappola.

I singoli atomi possono essere raffreddati oltre questo cosiddetto limite Doppler con varie altre tecniche, consentendo ai fisici di raggiungere temperature strabilianti di soli 50 trilioni di kelvin, o 0,00000000005 gradi sopra lo zero assoluto.

Ma fino ad ora i fisici sono riusciti solo a forzare gli atomi a fare molecole mentre freddo, o raffreddare le molecole esistenti di fluoruro di stronzio a temperature superiori al limite Doppler.

Legati insieme in sistemi più complessi, gli atomi non rispondono in modo affidabile agli stessi trucchi di raffreddamento.

Per spingere i confini, i ricercatori hanno tenuto un gruppo di molecole di monofluoruro di calcio in posizione da una combinazione di campi magnetici e laser chiamato una trappola magneto-ottica.

Questo è stato sufficiente per portarli al limite Doppler. Per farli oltre la linea, i ricercatori hanno utilizzato una seconda tecnica chiamata raffreddamento Sisyphus.

Se ricordi i tuoi miti greci, Re Sisifo era l’anima condannata che era costretta a spingere eternamente un masso su una montagna solo perché rotolasse dall’altra parte, tutto perché era il tipo di sovrano a cui piaceva uccidere i suoi ospiti.

Questa routine di allenamento infinita è proprio il tipo di cosa per assorbire le particelle della loro energia.

Invece di una montagna, i fisici usano una coppia di laser opposti polarizzati in modo tale da forzare una particella su una collina di energia, perdendo slancio nel processo.

Ciò ha permesso ai ricercatori di trascinare il monofluoruro di calcio fino a temperature di 50 microkelvin, o 50 milionesimi di grado sopra lo zero assoluto.

Questo è ancora molto lontano da quanto freddo possiamo fare singoli atomi, ma è meglio del precedente record di 400 microkelvin realizzato con molecole di fluoruro di stronzio.

La parete teorica della temperatura dello zero assoluto è come il paradosso della fisica delle particelle di Zenone: possiamo sempre e solo tagliare una frazione dell’energia da una particella in movimento, rendendo impossibile matematica che una particella possa mai avere calore.

Ma spingerci verso quell’obiettivo infinito ci ha permesso di studiare le particelle in un dettaglio senza precedenti, mostrando strani nuovi comportamenti e permettendoci di studiare come le forze che le tengono insieme sorgono in primo luogo.

Senza dubbio questo nuovo limite aiuterà ad espandere le nostre conoscenze su come funziona la chimica a un livello fondamentale.

Questa ricerca è stata pubblicata su Nature Physics.