Nyt køleskab superkøler molekyler til nanokelvin temperaturer

Årevis, forskere har ledt efter måder at afkøle molekyler til ultrakølede temperaturer, på hvilket tidspunkt molekylerne skal bremse til en krybning, giver forskere mulighed for præcist at kontrollere deres kvanteadfærd. Dette kan sætte forskere i stand til at bruge molekyler som komplekse bits til kvantecomputing, tuning af individuelle molekyler som små knapper til at udføre flere strømme af beregninger ad gangen.

Mens forskere har superkølede atomer, gør det samme for molekyler, som er mere komplekse i deres adfærd og struktur, har vist sig at være en meget større udfordring.

Nu har MIT -fysikere fundet en måde at afkøle molekyler af natrium lithium ned til 200 milliarder af en Kelvin, bare et hår over absolut nul. De gjorde det ved at anvende en teknik kaldet kollisionskøling, hvor de nedsænkede molekyler af koldt natrium lithium i en sky af endnu koldere natriumatomer. De ultrakølede atomer fungerede som kølemiddel for at afkøle molekylerne endnu mere.

Kollisionskøling er en standardteknik, der bruges til at nedkøle atomer ved hjælp af andre, koldere atomer. Og i mere end et årti, forskere har forsøgt at superkøle en række forskellige molekyler ved hjælp af kollisionskøling, kun for at opdage, at når molekyler kolliderede med atomer, de udvekslede energi på en sådan måde, at molekylerne blev opvarmet eller ødelagt i processen, kaldes "dårlige" sammenstød.

I deres egne eksperimenter, MIT -forskerne fandt ud af, at hvis natriumlitiummolekyler og natriumatomer fik til at dreje på samme måde, de kunne undgå selvdestruktion, og i stedet engageret i "gode" kollisioner, hvor atomerne tog molekylernes energi væk, i form af varme. Teamet brugte præcis styring af magnetfelter og et indviklet system af lasere til at koreografere molekylernes spin og rotationsbevægelse. Som resultat, atom-molekylblandingen havde et højt forhold mellem gode til dårlige kollisioner og blev afkølet fra 2 mikrokelvin til 220 nanokelvin.

"Kollisionskøling har været arbejdshesten til afkøling af atomer, "tilføjer Nobelpristageren Wolfgang Ketterle, John D. Arthur -professoren i fysik ved MIT. "Jeg var ikke overbevist om, at vores ordning ville fungere, men da vi ikke vidste det med sikkerhed, vi måtte prøve det. Vi ved nu, at det virker til afkøling af natrium -lithiummolekyler. Om det vil fungere for andre klasser af molekyler, er tilbage at se. "

Deres fund, offentliggjort i tidsskriftet Natur , markere første gang forskere med succes har brugt kollisionskøling til at afkøle molekyler ned til nanokelvin -temperaturer.

Ketterles medforfattere på papiret er hovedforfatter Hyungmok Son, en kandidatstuderende ved Harvard Universitys Institut for Fysik, sammen med MIT fysik kandidatstuderende Juliana Park, og Alan Jamison, professor i fysik ved University of Waterloo og gæsteforsker ved MIT's Research Laboratory of Electronics.

Opnå ultralave temperaturer

I fortiden, forskere fandt ud af, at når de forsøgte at afkøle molekyler til ultrakølede temperaturer ved at omringe dem med endnu koldere atomer, partiklerne kolliderede således, at atomerne gav ekstra energi eller rotation til molekylerne, sender dem flyvende ud af fælden, eller selvdestruerer alt sammen ved kemiske reaktioner. MIT -forskerne spekulerede på, om molekyler og atomer, har det samme spin, kunne undgå denne effekt, og forbliver ultrakold og stabil som følge heraf. De søgte at teste deres idé med natrium lithium, et "diatomisk" molekyle, som Ketterles gruppe eksperimenterer med regelmæssigt, bestående af et lithium og et natriumatom.

"Natrium -litiummolekyler er ganske forskellige fra andre molekyler, folk har prøvet, "Jamison siger." Mange mennesker forventede, at disse forskelle ville gøre køling endnu mindre tilbøjelig til at fungere. Imidlertid, vi havde en fornemmelse af, at disse forskelle kunne være en fordel i stedet for en skade. "

Forskerne finjusterede et system med mere end 20 laserstråler og forskellige magnetfelter for at fange og afkøle atomer af natrium og lithium i et vakuumkammer, ned til omkring 2 mikrokelvin - en temperatur, som Son siger, er optimal for atomer at binde sig sammen som natrium -lithiummolekyler.

Når først forskerne var i stand til at producere nok molekyler, de skinnede laserstråler med specifikke frekvenser og polarisationer for at kontrollere molekylernes kvantetilstand og omhyggeligt afstemte mikrobølgefelter for at få atomer til at snurre på samme måde som molekylerne. "Så gør vi køleskabet koldere og koldere, "siger søn, henviser til natriumatomer, der omgiver skyen af ​​de nydannede molekyler. "Vi sænker effekten af ​​den indfangende laser, gør den optiske fælde løsere og løsere, som bringer temperaturen af ​​natriumatomer ned, og yderligere afkøler molekylerne, til 200 milliarder af en kelvin. "

Gruppen observerede, at molekylerne var i stand til at forblive ved disse ultrakølede temperaturer i op til et sekund. "I vores verden, et sekund er meget langt, "Ketterle siger." Det, du vil gøre med disse molekyler, er kvanteberegning og udforskning af nye materialer, som alle kan udføres i små brøkdele af et sekund. "

Hvis teamet kan få natriumlitiummolekyler til at være cirka fem gange koldere end hvad de hidtil har opnået, de vil have nået et såkaldt kvantedegeneret regime, hvor individuelle molekyler bliver umulige at skelne og deres kollektive adfærd styres af kvantemekanik. Son og hans kolleger har nogle ideer til, hvordan man opnår dette, hvilket vil indebære måneders arbejde med at optimere deres setup, samt erhverve en ny laser til at integrere i deres setup.

"Vores arbejde vil føre til diskussion i vores samfund, hvorfor kollisionskøling har fungeret for os, men ikke for andre, "Søn siger" Måske vil vi snart have forudsigelser om, hvordan andre molekyler kan afkøles på denne måde. "