Forskere kombinerer kvanteekspertise for at fremme forskning i ultrakølede molekyler

Ledere inden for ultrakold molekylforskning fra Columbia og Harvard universiteter går sammen om at fremskynde forståelsen af ​​kvantemekanikken i kemiske reaktioner.

Partnerskabet vil resultere i udvikling af nye, mere præcise teknikker, der vil udvide området ultrakold kemi til et i øjeblikket uopnåeligt udvalg af molekylære arter og reaktioner, muliggøre nye generationer af eksperimenter inden for grundlæggende fysik.

"Vi er meget begejstrede for dette samarbejde, fordi vi kombinerer to forskningsretninger, der har udviklet sig separat og nu kan bringes sammen til at udvikle et nyt sæt værktøjer til både fysikere og kemikere, "sagde Tanya Zelevinsky, lektor i Atomic, Molekylær og optisk fysik og hovedforsker ved Columbia Universitys Z Lab.

De seneste år har ført til fremskridt inden for kvanteteknologier, herunder laserkøling, som har gjort det muligt at studere atomer ved mikrokelvin, eller tæt på nul, temperaturer. I denne tilstand, forskere er i stand til at manipulere og studere indflydelsen af ​​kvantestatistik, begrænsende geometri, og magnetfelter-ikke-klassiske træk, der er utilgængelige i opsætninger ved stuetemperatur-på et atoms adfærd.

Eksperimentelister har i årevis vidst, at ultrafølsomme målinger foretaget på ultrakølede atomer eller molekyler kan afsløre nogle af de nu skjulte hemmeligheder i naturen, såsom om "naturens konstanter" faktisk er konstante eller ændrer sig med tiden.

Forskere har haft succes med at bruge laserkøling til at studere mange typer atomer, dog atomer af den mest betydningsfulde kemiske interesse for forskere, såsom brint, ilt, og nitrogen, mangler de egenskaber, der kræves til direkte køling. Helt nye teknikker er nødvendige for at udforske ultrakold kemi, der involverer disse arter.

I et forsøg på at overvinde denne udfordring, forskere begynder at fokusere på at skabe ultrakølede molekyler, der indeholder disse målatomer. At udvikle og anvende disse teknikker er målet for et nyt projekt finansieret af W. M. Keck Foundation.

Hovedforsker Zelevinsky og medforsker John Doyle, ved Harvard, har modtaget en bevilling på 1 million dollar i løbet af tre år for at tage deres arbejde til det næste niveau ved at udvikle en eksperimentel facilitet, der vil åbne feltet ultrakold kemi for en meget bredere vifte af atomare og molekylære arter og reaktioner.

For at tackle udfordringen med køling af molekyler, forskerne nærmer sig problemet fra en ny vinkel. Zelevinsky forklarede, at fastgørelsen af ​​visse metalatomer, såsom calcium, gør det muligt for nogle molekyler at blive afkølet af laserlys.

Teamets plan er at skabe en række molekyler med denne metalfastgørelse, anvende laserlys for at afkøle molekylerne til temperaturer, der hidtil har været utilgængelige, og derefter for at bruge yderligere laserlys til at skære metalatomet af i en proces kaldet fotodissociation. Denne teknik giver mulighed for manipulation af bevægelse og kemiske bindinger af mere komplekse molekyler for at skabe en række ultrakølede molekylarter, der er meget ønskelige, men indtil videre utilgængelig, til forskere, derved skubber feltet ind på nyt territorium.

Potentialet for projektet er umådeligt.

"Der er så mange ting, som disse molekyler vil hjælpe os med at forstå, "Sagde Zelevinsky, tilføjer, at undersøgelse af kemiske reaktioner, der involverer polyatomiske molekyler ved ultrakølede temperaturer, åbner nye muligheder for at teste den nuværende forståelse af de grundlæggende symmetrier og naturlove, herunder ting om vores univers, som forskere endnu ikke kan forklare, såsom ubalance i materie-antimateriale, mørk energi, og interstellare miljøer. Forskningen vil også levere molekyler til bord-top eksperimenter, der traditionelt har krævet multi-milliarder dollar acceleratorer til at udføre.

"Det er virkelig en stor gevinst at kunne udføre den slags fysik uden at bruge milliarder på en accelerator, "sagde hun." At lave kemi i det helt grundlæggende regime har en følelse af skønhed, som folk kan forholde sig til. Da kvantefysik i atomer først blev udarbejdet, ingen kunne have forestillet sig de mange måder, det ville blive brugt i vores hverdag i dag. Molekyler - de kan vibrere og rotere, og er rigere end atomer. Der vil være mange, mange flere applikationer, som vi ikke engang kan forestille os lige nu. "