Egorov Artem/Shutterstock Ein zweistufiger Kühlprozess mithilfe von Lasern hat es Physikern ermöglicht, Kalziummonofluoridmoleküle auf eine rekordverdächtige Temperatur zu bringen und so eine Barriere zu durchbrechen, die bisher unüberwindbar war.
Vor Jahrzehnten eröffnete die Abkühlung einzelner Atome auf nahezu den absoluten Nullpunkt den Teilchenphysikern eine neue Welt der Forschung. Dieser neueste Durchbruch könnte auch einen fruchtbaren Boden dafür bieten, mehr darüber zu erfahren, wie sich Atome verhalten, wenn sie als Moleküle miteinander verbunden sind.
Der Prozess hinter der Rekordkühlung wurde von Forschern durchgeführt Das Zentrum für Kalte Materie am Imperial College London unterscheidet sich nicht allzu sehr von denen, die zur Kühlung von Atomen eingesetzt werden.
Ein sich bewegendes Teilchen ist ein heißes Teilchen, was bedeutet, dass man zum Abkühlen eines Atoms oder eines Moleküls lediglich dessen Summen verlangsamen muss.
Eine Möglichkeit, dies zu erreichen, besteht darin, die Art und Weise zu nutzen, wie Atome Lichtquanten absorbieren und emittieren und dabei möglicherweise etwas an Impuls verlieren.
Ein auf eine bestimmte Frequenz abgestimmter Laser zielt auf Atome, die durch ein Magnetfeld auf engstem Raum gefangen sind.
Wenn sich das Atom vom Licht entfernt, ist die Frequenz, die es erfährt, die gleiche Doppler verschoben leicht am roten Ende des Spektrums. Bewegt sich das Teilchen in den Strahl hinein, verschiebt sich die auftreffende Frequenz zum blauen Ende hin.
Die richtige Frequenz bedeutet, dass Atome, die sich mit einer bestimmten Geschwindigkeit in den Laser bewegen, ein Lichtphoton absorbieren können. Dadurch wird eines seiner Elektronen auf ein neues Energieniveau gebracht, das dann beim Absinken ein Photon in eine zufällige Richtung aussendet.
Über die Teilchen verteilt bedeutet diese Photonenemission, dass die Atome insgesamt an Impuls verlieren und dadurch langsamer werden.
Dieser als Doppler-Kühlung bezeichnete Prozess kann die Teilchen nur so stark abkühlen, dass der Energieverlust durch die Emission von Photonen durch die Energie ausgeglichen wird, die die Atome in der Falle erhalten.
Einzelne Atome können darüber hinaus abgekühlt werden Doppler-Grenze Mit verschiedenen anderen Techniken können Physiker atemberaubende Temperaturen von nur erreichen 50 Billionstel Kelvin oder 0,00000000005 Grad über dem absoluten Nullpunkt.
Doch bisher ist es den Physikern nur gelungen zwingen Atome dazu, Moleküle zu bilden während kalt, oder Kühlen vorhandener Strontiumfluoridmoleküle auf Temperaturen oberhalb der Doppler-Grenze.
Wenn sie zu komplexeren Systemen zusammengebunden sind, reagieren Atome einfach nicht so zuverlässig auf dieselben Kühltricks.
Um die Grenzen zu überschreiten, hielten Forscher eine Reihe von Calciummonofluoridmolekülen durch eine Kombination aus Magnetfeldern und Lasern, genannt a, an Ort und Stelle magnetooptische Falle .
Dies reichte aus, um sie bis zur Doppler-Grenze zu bringen. Um sie über die Grenze zu bringen, verwendeten die Forscher eine zweite Technik namens „ Sisyphos-Kühlung .
Wenn Sie sich an Ihre griechischen Mythen erinnern, König Sisyphos war die zum Scheitern verurteilte Seele, die gezwungen war, für immer einen Felsbrocken einen Berg hinaufzuschieben, nur damit er auf der anderen Seite herunterrollte, und das alles nur, weil er zu der Art Herrscher gehörte, der seine Gäste gerne ermordete.
Diese endlose Trainingsroutine ist genau das Richtige, um ihnen Energie zu rauben.
Anstelle eines Berges verwenden Physiker ein Paar gegensätzlicher, so polarisierter Laser, um ein Teilchen auf einen Energieberg zu treiben und dabei an Impuls zu verlieren.
Dies ermöglichte es den Forschern, das Kalziummonofluorid auf Temperaturen von 50 Mikrokelvin oder 50 Millionstel Grad über dem absoluten Nullpunkt zu senken.
Das ist immer noch weit davon entfernt, wie kalt wir einzelne Atome herstellen können, aber es ist besser als die bisherigen Rekorde 400 Mikrokelvin Dies wird mit Strontiumfluoridmolekülen erreicht.
Die theoretische Temperaturwand des absoluten Nullpunkts ist wie ein Zeno-Paradoxon der Teilchenphysik – wir können einem sich bewegenden Teilchen immer nur einen Bruchteil der Energie entziehen, was es zu einem macht mathematische Unmöglichkeit dass ein Teilchen jemals keine Wärme haben könnte.
Aber die Erreichung dieses unendlichen Ziels hat es uns ermöglicht, Teilchen zu untersuchen in beispielloser Detailliertheit , seltsame neue Verhaltensweisen zeigen und es ermöglicht uns zu untersuchen, wie Kräfte, die sie zusammenhalten, überhaupt entstehen.
Zweifellos wird dieser neue Grenzwert dazu beitragen, unser Wissen darüber zu erweitern, wie die Chemie auf grundlegender Ebene funktioniert.
Diese Forschung wurde veröffentlicht in Naturphysik .