Moleculele îngheţate pavează drumul ştiinţei ”ultra-reci”

Fizicienii au îngheţat moleculele aproape de temperatura zero absolut folosind laserele unui aparat construit în laborator.

Moleculele – particule de monofluorură de stronţiu (SrF) – au fost aduse la cea mai mică temperatură obţinută vreodată prin răcire directă. Echipa de cercetători a coborât temperatura moleculelor la 0.0025 grade peste zero absolut folosind un proces denumit captare magneto-optică (MOT).

Descoperirea deschide o nouă uşă pentru experimente în domenii diferite, care variază de la măsurătorile de precizie şi simularea cuantică la chimia ultra-rece şi testarea fizicii modelelor standard de particule.

”Putem începe să studiem reacţiile chimice care se petrec la o temperatură foarte apropiată de zero absolut”, a declarat Dave DeMille, profesor de fizică al Universităţii Yale şi cercetătorul principal în acest experiment. ”Avem şansa să învăţăm despre mecanismele chimice fundamentale”.

Duzini de lasere

Captarea magneto-optică a ajuns o metodă foarte des folosită printre fizicienii din ultima generaţiei – dar numai la nivelul unui singur atom. Tehnologia foloseşte simultan mai multe lasere pentru a îngheţa şi imobiliza particulele.

”Imaginează-ţi că ai un vas nu prea adânc care are puţină dulceaţă în el”, a explicat DeMille. ”Dacă arunci nişte mingi în vas, acestea vor încetinii şi se vor acumula pe fund. Pentru experimentul nostru, moleculele sunt precum mingile iar bolul cu dulceaţă este creat prin intermediul undelor laser şi a câmpurilor magnetice”.

Până acum, vibraţiile complicate şi rotaţiile moleculelor s-au dovedit prea dificil de imobilizat. Abordarea unică a echipei de la Yale este inspirată dintr-o sursă relativ obscură, un document de cercetare din anii 90 care conţine rezultate de tipul MOT într-o situaţie în care condiţiile de răcire şi imobilizare standard nu sunt îndeplinite.

DeMille şi colegii săi au construit propriul aparat într-un laborator din subsol. Aparatul este format din computere, componente electrice, mai multe nivele de circuite încurcate, multe oglinzi, şi o unitate de refrigerare criogenică. Procesul foloseşte duzini de lasere care sunt controlate la o lungime de undă atât de redusă încât mărimea sa este exprimată cu ajutorul celei de-a noua zecimale.

”Dacă vrei să pui o imagine cu ceva high-tech în dicţionar, aceasta este cum ar putea arăta”, a declarat DeMille. ”Este foarte ordonat, dar şi cu puţin haos”.

Cum funcţionează

Pulsurile SrF sunt lansate dintr-o cameră criogenică pentru a forma o undă de molecule care este încetinită împingând-o cu un laser.

”Este precum ai încerca să încetineşti o bilă de bowling cu mingi de ping pong”, a declarat DeMille. ”Trebui să o faci rapid şi trebuie să o faci de multe ori”.

Moleculele încetinite ajung într-un câmp special magnetic, în care unde opuse de laser trec prin centrul câmpului, de-a lungul a trei axe perpendiculare. Acesta este locul în care moleculele sunt prinse.

”Fizica cuantică ne permite atât să răcim lucrurile cât şi să aplicăm o forţă care face moleculele să leviteze într-un vid aproape perfect”, a declarat DeMille.

Cercetătorii au ales SrF pentru simplicitatea structurală – are practic doar un electron care orbitează în jurul întregii molecule.

”Am crezut că ar fi cel mai bine să începem să aplicăm această tehnică cu o moleculă diatomică simplă”, a adăugat cercetătorul.

Autorul principal al raportului este John Barry, un absolvent Yale şi student actual al Centrului Smithsonian pentru Astrofizică de la Harvard. Lucrarea a fost publicată în jurnalul Nature.