Overtagelse af kvantekontrol over livets byggesten

Livet (som vi kender det) er baseret på kulstof. På trods af dets allestedsnærværende, rummer dette vigtige element stadig masser af hemmeligheder, på jorden og i himlen over os. For eksempel ønsker astrofysikere som Columbias Daniel Wolf Savin, der studerer interstellare skyer, at forstå, hvordan kemikalierne, inklusive kulstof, der hvirvler rundt i disse tågede samlinger af gas og støv, danner de stjerner og planeter, der rammer vores univers og giver anledning til organisk liv.

Disse interstellare skyer er kolde til en ekstrem, der er udfordrende at efterligne i et laboratorium, men Columbia har eksperter i ultrakold videnskab. Ved et retreat for fysikafdelingen for flere år siden i Columbia's Nevis Laboratory mødte astrofysiker Savin kvantefysikeren Sebastian Will. Wills laboratorium har specialiseret sig i at afkøle atomer og molekyler til deres absolutte grænse ved hjælp af lasere. Laserafkølingsteknikker er gået hurtigt frem i de senere år, men fysikeres typiske valg af atomer og molekyler dukker ikke op for ofte i hverdagen. Savin ville vide:Kunne du køle kulstofmolekyler?

Svaret, i det mindste teoretisk, er ja, ifølge en undersøgelse, som fysikstuderende Niccolò Bigagli, Savin og Will for nylig publicerede i Physical Review A .

Udgangspunktet for laserkøling af ethvert atom eller molekyle er at forstå, hvordan det absorberer og udsender lys; denne proces reducerer atomets eller molekylets kinetiske energi, og i sidste ende køler det ned og bringer det til næsten stilstand. De nødvendige spektroskopiske data er udfordrende at opnå og kræver ofte dyrt laboratorieudstyr, men heldigvis eksisterede data for kulstofmolekyler allerede i ExoMol-databasen, en open source-ressource fra University College London med molekylære spektroskopidata, som astrofysikere bruger til at studere exoplaneternes atmosfærer .

Bigagli dykkede ned i dataene fra ExoMol og udviklede et skema, der skulle være i stand til at bruge lasere til at køle kulstofmolekyler ned til ekstremt kolde temperaturer - tættere repliker disse forhold i interstellare skyer, end det tidligere har været muligt i laboratoriet, bemærkede Savin. Disse kolde kulstofmolekyler kunne derefter fanges med en såkaldt optisk pincet til højpræcisionsspektroskopi af deres grundlæggende egenskaber eller til reaktionseksperimenter for at studere deres kvantekemi, som påpeget af Will.

"Carbonmolekyler er absolut essentielle byggesten for så mange andre molekyler - det er utroligt at tænke på mulighederne for, hvad vi måske kunne skabe med denne nye laserafkølingsordning," sagde Bigagli. Det kunne omfatte at kombinere kulstof med brintatomer for at studere en vigtig klasse af molekyler kaldet kulbrinter.

At kulstofmolekyler, som i nogle henseender er ret forskellige fra molekyler, der hidtil har været laserkølet i laboratorier, er modtagelige for teknikken, rejser også muligheden for, at der kan være flere muligheder på bordet end tidligere indset. "Carbonmolekyler kunne være broen mellem fysikeres noget esoteriske molekyler og dem, som kemikere studerer med mere virkelige anvendelser," sagde Bigagli. Holdet analyserer i øjeblikket yderligere data for at identificere andre interessante molekyler, der potentielt kan laserkøles, samt tænker på, hvad de kan tilføje til afkølet kulstof.

Kun faktiske eksperimenter vil fortælle, hvor vellykket kulstofkølingsordningen vil være, sagde Will, og han håber, at hans laboratorium snart vil være i stand til at bygge de nødvendige laseropsætninger. "Vi har vist, at dette grundlæggende vil fungere med den nyeste teknologi - vi har bare brug for ressourcerne til at sætte det sammen," sagde han. + Udforsk yderligere

Oprettelse af ultrakolde polyatomiske molekyler ved at indfange og afkøle dem i tre dimensioner