Molekyler som kyldes nära absolut noll krossade bara en ny Fysikrekord

en tvåstegs kylprocess med lasrar har gjort det möjligt för fysiker att trycka molekyler av kalciummonofluorid ner till en rekord låg temperatur och krossa en barriär som hittills har varit omöjlig.

årtionden sedan öppnade kylande enskilda atomer till nära absolut noll en ny värld av forskning för partikelfysiker. Detta senaste genombrott kan också ge bördig grund för att lära sig mer om hur atomer beter sig när de binds samman som molekyler.

processen bakom rekordkylningen utförd av forskare från Center for Cold Matter vid Imperial College London är inte så annorlunda än de som används för att kyla atomer.

en rörlig partikel är en het partikel, vilket innebär att kyla ner antingen en atom eller en molekyl behöver du helt enkelt sakta ner sin surrande.

ett sätt att göra detta är att dra nytta av hur atomer absorberar och avger ljuskvanta, vilket potentiellt förlorar lite fart i processen.

en laser inställd på en viss frekvens riktar sig till atomer som fångas i ett begränsat utrymme av ett magnetfält.

om atomen rör sig bort från ljuset, är frekvensen den upplever Doppler förskjuten något mot den röda änden av spektrumet. Om partikeln rör sig in i strålen växlar frekvensen som träffar den mot den blå änden.

att få den frekvensen rätt betyder att atomer som rör sig in i lasern vid en given hastighet kan absorbera en foton av ljus. Detta stöter upp en av sina elektroner till en ny energinivå, som sedan avger en foton i slumpmässig riktning när den kommer ner.

sprid ut över partiklarna, detta utsläpp av fotoner betyder en total minskning av momentum för atomerna, gradvis saktar ner dem.

denna process som kallas Dopplerkylning kan bara få partiklar så kalla, eftersom energin som förloras genom att emittera fotoner balanseras av den energi atomerna får i fällan.

enskilda atomer kan kylas utöver denna så kallade Dopplergräns med olika andra tekniker, vilket gör det möjligt för fysiker att nå sinnesblåsande temperaturer på bara 50 trillionths av en kelvin, eller 0.00000000005 grader över absolut noll.

men hittills har fysiker bara lyckats tvinga atomer till att göra molekyler medan de är kalla eller kyla befintliga molekyler av strontiumfluorid till temperaturer över Dopplergränsen.

bundet ihop i mer komplexa system, svarar atomer inte lika tillförlitligt på samma kyltrick.

för att driva gränserna höll forskare en massa kalciummonofluoridmolekyler på plats genom en kombination av magnetfält och lasrar som kallas en magneto-optisk fälla.

detta var tillräckligt för att ta dem ner till Doppler-gränsen. För att få dem över linjen använde forskarna en andra teknik som kallades Sisyphus-kylning.

om du kommer ihåg dina grekiska myter var kung Sisyphus den dömda själen som var tvungen att evigt driva en stenblock upp på ett berg bara för att den skulle rulla ner på andra sidan, allt för att han var den typ av härskare som gillade att mörda sina gäster.

denna oändliga träningsrutin är bara den typ av sak att sap partiklar av sin energi.

istället för ett berg använder fysiker ett par motsatta lasrar polariserade på ett sådant sätt att tvinga en partikel uppför en energikulle och förlora fart i processen.

detta gjorde det möjligt för forskarna att dra kalciummonofluoriden ner till temperaturer på 50 mikrokelvin, eller 50 miljoner av en grad över absolut noll.

det är fortfarande långt ifrån hur kallt vi kan göra enskilda atomer, men det är bättre än den tidigare posten på 400 mikrokelvin som uppnåtts med strontiumfluoridmolekyler.

den teoretiska temperaturväggen för absolut noll är som en Zenos Paradox för partikelfysik-vi kan bara skära en bråkdel av energin från en rörlig partikel, vilket gör det till en matematisk omöjlighet att en partikel någonsin inte kan ha någon värme.

men att sträcka sig mot det oändliga målet har gjort det möjligt för oss att studera partiklar i oöverträffad detalj, visa konstiga nya beteenden och låta oss studera hur krafter som håller dem ihop uppstår i första hand.

utan tvekan kommer denna nya gräns att bidra till att utöka vår kunskap om hur kemi fungerar på en grundläggande nivå.

denna forskning publicerades i Nature Physics.