Cząsteczki schłodzone blisko zera absolutnego właśnie pobiły nowy rekord fizyki

dwuetapowy proces chłodzenia przy użyciu laserów pozwolił fizykom zepchnąć cząsteczki monofluorku wapnia do rekordowo niskiej temperatury, niszcząc barierę, która do tej pory była nieprzejezdna.

kilkadziesiąt lat temu chłodzenie pojedynczych atomów do zera absolutnego otworzyło nowy świat badań dla fizyków cząstek elementarnych. Ten najnowszy przełom może również zapewnić podatny grunt do nauki o tym, jak atomy zachowują się, gdy są połączone razem jako cząsteczki.

proces chłodzenia rekordu przeprowadzony przez naukowców z Centre for Cold Matter w Imperial College London nie różni się aż tak bardzo od procesu chłodzenia atomów.

poruszająca się cząstka jest gorącą cząstką, co oznacza, że aby ochłodzić atom lub cząsteczkę, wystarczy spowolnić jej brzęczenie.

jednym ze sposobów, aby to zrobić, jest wykorzystanie tego, jak atomy absorbują i emitują kwanty światła, potencjalnie tracąc pewien pęd w tym procesie.

Laser dostrojony do określonej częstotliwości jest skierowany na Atomy uwięzione w zamkniętej przestrzeni przez pole magnetyczne.

jeśli atom oddala się od światła, Częstotliwość, której doświadcza, jest dopplerowska przesunięta nieco w kierunku czerwonego końca widma. Jeśli cząstka porusza się w wiązce, uderzająca w nią częstotliwość przesuwa się w kierunku niebieskiego końca.

uzyskanie odpowiedniej częstotliwości oznacza, że atomy poruszające się w laserze z określoną prędkością mogą wchłonąć Foton światła. To uderza jeden z jego elektronów do nowego poziomu energii, który następnie emituje Foton w losowym kierunku, gdy schodzi w dół.

rozłożona na cząstki, ta emisja fotonów oznacza ogólny spadek pędu atomów, stopniowo je spowalniając.

ten proces zwany chłodzeniem dopplerowskim może uzyskać tylko cząstki tak zimne, ponieważ energia utracona przez emitowanie fotonów jest równoważona przez energię otrzymywaną przez atomy w pułapce.

poszczególne atomy mogą być chłodzone poza tą tak zwaną granicą Dopplera za pomocą różnych innych technik, pozwalając fizykom osiągnąć oszałamiające temperatury zaledwie 50 bilionów Kelvina, czyli 0,00000000005 stopni powyżej zera absolutnego.

ale do tej pory fizykom udało się zmusić Atomy do wytwarzania cząsteczek, gdy są zimne lub schładzają istniejące cząsteczki fluorku strontu do temperatury powyżej granicy Dopplera.

połączone w bardziej złożone układy, Atomy po prostu nie reagują tak niezawodnie na te same triki chłodzenia.

aby przesunąć granice, naukowcy utrzymywali wiązkę cząsteczek monofluorku wapnia w miejscu za pomocą kombinacji pól magnetycznych i laserów zwanych pułapką magneto-optyczną.

to wystarczyło, by sprowadzić ich do granicy Dopplera. Aby je przekroczyć, naukowcy zastosowali drugą technikę zwaną chłodzeniem Syzyfowym.

jeśli pamiętasz swoje greckie mity, Król Syzyf był skazaną duszą, która była zmuszona wiecznie wepchnąć głaz w górę góry, tylko po to, aby staczał się z drugiej strony, wszystko dlatego, że był rodzajem władcy, który lubił mordować swoich gości.

ta nieskończona rutynowa praca jest po prostu czymś w rodzaju usuwania cząstek z ich energii.

zamiast góry, fizycy używają pary przeciwstawnych laserów spolaryzowanych w taki sposób, aby zmusić cząstkę do wzniesienia energetycznego, tracąc przy tym pęd.

pozwoliło to naukowcom przeciągnąć monofluorek wapnia do temperatury 50 mikrokelwinów, czyli 50 milionowych części stopnia powyżej zera absolutnego.

to jeszcze daleko od tego, jak zimno możemy tworzyć pojedyncze atomy, ale jest to lepsze niż poprzedni zapis 400 mikrokelwinów osiąganych z cząsteczkami fluorku strontu.

teoretyczna ściana temperatury zera absolutnego jest jak paradoks Zeno fizyki cząstek-możemy kiedykolwiek wyciąć tylko ułamek energii z poruszającej się cząstki, co czyni matematyczną niemożliwością, że cząstka może nigdy nie mieć ciepła.

ale rozciąganie się w kierunku tego nieskończonego celu pozwoliło nam badać cząstki w niespotykanych szczegółach, wykazując dziwne nowe zachowania i pozwalając nam badać, jak siły trzymające je razem powstają w pierwszej kolejności.

bez wątpienia ten nowy limit pomoże poszerzyć naszą wiedzę na temat tego, jak działa Chemia na podstawowym poziomie.

to badanie zostało opublikowane w fizyce przyrody.