Moleculen die dicht bij het Absolute nulpunt zijn gekoeld, hebben zojuist een nieuw Fysisch Record (

) verbrijzeld. door een tweestaps koelproces met lasers konden natuurkundigen moleculen van calciummonofluoride naar een record lage temperatuur duwen, waardoor een barrière werd doorbroken die tot nu toe onbegaanbaar was.

decennia geleden opende het koelen van individuele atomen tot bijna het absolute nulpunt een nieuwe wereld van onderzoek voor deeltjesfysici. Deze laatste doorbraak zou ook vruchtbare grond kunnen bieden om meer te leren over hoe atomen zich gedragen wanneer ze als moleculen aan elkaar worden gebonden.

het proces achter de recordkoeling van onderzoekers van het Centre for Cold Matter van het Imperial College London is niet zo verschillend van het proces dat wordt gebruikt om atomen te koelen.

een bewegend deeltje is een heet deeltje, wat betekent dat een atoom of een molecuul afgekoeld moet worden.

een manier om dit te doen is om te profiteren van de manier waarop atomen quanta van licht absorberen en uitzenden, waardoor mogelijk enige momentum in het proces verloren gaat.

een laser die op een bepaalde frequentie is afgestemd, is gericht op atomen die door een magnetisch veld in een besloten ruimte gevangen zitten.

als het atoom zich van het licht verwijdert, is de frequentie die het ervaart Doppler lichtjes verschoven naar het rode uiteinde van het spectrum. Als het deeltje in de straal beweegt, verschuift de frequentie naar het blauwe uiteinde.

als die frequentie juist is, kunnen atomen met een bepaalde snelheid een foton van licht absorberen. Dit stoot een van zijn elektronen op tot een nieuw energieniveau, dat dan een foton in een willekeurige richting uitzendt wanneer het naar beneden komt.

verspreid over de deeltjes betekent deze emissie van fotonen een algehele afname van de stuwkracht van de atomen, waardoor ze geleidelijk worden vertraagd.

dit proces genaamd Dopplerkoeling kan alleen deeltjes zo koud krijgen, omdat de energie die verloren gaat door het uitzenden van fotonen wordt gecompenseerd door de energie die de atomen in de val ontvangen.

individuele atomen kunnen worden gekoeld voorbij deze zogenaamde Doppler limiet met verschillende andere technieken, waardoor natuurkundigen mind-blowing temperaturen van slechts 50 biljoenste van een kelvin, of 0,00000000005 graden boven het absolute nulpunt bereiken.

maar tot nu toe zijn natuurkundigen er alleen in geslaagd om atomen te dwingen moleculen aan te maken terwijl het koud is of bestaande moleculen van strontiumfluoride afkoelen tot temperaturen boven de dopplergrens.

verbonden tot complexere systemen reageren atomen niet zo betrouwbaar op dezelfde koeltechnieken.

om de grenzen te verleggen, hielden onderzoekers een stel calciummonofluoridemoleculen op hun plaats door een combinatie van magnetische velden en lasers die een magneto-optische val wordt genoemd.

dit was genoeg om ze tot de Doppler limiet te brengen. Om ze over de lijn te krijgen, gebruikten de onderzoekers een tweede techniek genaamd Sisyphus koeling.

als je je Griekse mythen herinnert, was koning Sisyphus de gedoemde ziel die werd gedwongen om eeuwig een rotsblok op een berg te duwen, alleen maar om deze aan de andere kant naar beneden te rollen, allemaal omdat hij het soort heerser was die graag zijn gasten vermoordde.

deze oneindige work-out routine is precies het soort ding om deeltjes van hun energie te absorberen.

in plaats van een berg gebruiken natuurkundigen een paar tegengestelde lasers die op een dergelijke manier gepolariseerd zijn om een deeltje op een energieheuvel te duwen, waardoor momentum in het proces verloren gaat.

hierdoor konden de onderzoekers het calciummonofluoride naar beneden slepen tot temperaturen van 50 microkelvin, of 50 miljoenste van een graad boven het absolute nulpunt.

dat is nog steeds verre van hoe koud we individuele atomen kunnen maken, maar het is beter dan de vorige record van 400 microkelvin bereikt met strontiumfluoride moleculen.

de theoretische temperatuurwand van het absolute nulpunt is als een Zeno ‘ s paradox van de deeltjesfysica – we kunnen slechts een fractie van de energie uit een bewegend deeltje snijden, waardoor het wiskundig onmogelijk is dat een deeltje ooit geen warmte zou kunnen hebben.

maar ons uitstrekken naar dat oneindige doel heeft ons in staat gesteld om deeltjes in ongekend detail te bestuderen, het vertonen van vreemd nieuw gedrag en ons in staat gesteld om te bestuderen hoe krachten die hen bij elkaar houden in de eerste plaats ontstaan.

deze nieuwe limiet zal ongetwijfeld bijdragen aan de uitbreiding van onze kennis over de werking van de chemie op een fundamenteel niveau.

dit onderzoek werd gepubliceerd in Nature Physics.