 |
| Σχήμα που δείχνει την παγίδα μορίου. Το υπέρυθρο λέιζερ απεικονίζεται από τη δέσμη αναγνώσεως και τα σήματα ραδιο-συχνοτήτων από τα μπλε κυκλώματα. Η ακτινοβολία μικροκυμάτων εισάγεται από πάνω. (Με ευγενική χορηγία: Rosa Glöckner, MPQ) |
Στην ελληνική μυθολογία, ο Σίσυφος καταδικάστηκε από τους θεούς να σπρώχνει συνέχεια ένα βαρύ βράχο στην κορυφή ενός λόφου, μόνο για πέφτει κάτω από την άλλη πλευρά και αυτός να τον ξανασπρώχνει πάνω. Τώρα, οι φυσικοί στη Γερμανία έχουν χρησιμοποιήσει ένα παρόμοιο σύστημα να κρυώνει ένα σύνολο μορίων φθορομεθανίου σε θερμοκρασία μόλις λίγα χιλιοστά Kelvin.
Η ψύξη μορίων με περισσότερα από δύο άτομα είχε αποδειχθεί πολύ δύσκολη και αυτή η τελευταία εξέλιξη θα μπορούσε να οδηγήσει σε σημαντικές ανακαλύψεις στη χημεία, τη φυσική σωματιδίων, ακόμη και στους κβαντικούς υπολογιστές.
Κατά τη διάρκεια των τελευταίων δεκαετιών οι φυσικοί έχουν αναπτύξει μια ποικιλία εργαλείων για την ψύξη των αερίων ατόμων όλο και πιο κοντά στο απόλυτο μηδέν - με θερμοκρασίες λιγότερο από ένα εκατομμυριοστό του Kelvin. Αυτό έχει οδηγήσει σε όλα τα είδη των ανακαλύψεων, όπως η δημιουργία μιας ασυνήθιστης κατάστασης της ύλης που είναι γνωστή ως συμπύκνωμα Bose-Einstein κατά την οποία όλα τα συστατικά σωματίδια υπάρχουν σε μια ενιαία κβαντική κατάσταση.
Η ψύξη μορίων κάτω από τις ίδιες θερμοκρασίες θα μπορούσε επίσης να οδηγήσει σε σημαντικές ανακαλύψεις. Πιθανές εφαρμογές περιλαμβάνουν την ανάπτυξη των κβαντικών υπολογιστών, στην οποία η αναγκαία ισχυρή και σταθερή αλληλεπίδραση μεταξύ κβαντικών bits θα μπορούσε να επιτευχθεί μέσω μακράς εμβέλειας ηλεκτρικών δυνάμεων μεταξύ μορίων πολύ χαμηλής ενέργειας. Υπέρψυχρα μόρια θα μπορούσαν επίσης να χρησιμοποιηθούν σε λεπτές διεργασίες, που είναι αδύνατο να πραγματοποιηθούν με θερμότερα, πιο ενεργητικά σωματίδια, όπως χρησιμοποιώντας ηλεκτρομαγνητικά πεδία για τον έλεγχο των χημικών αντιδράσεων σε μοριακό επίπεδο ή παρατηρώντας την μικροσκοπική διαφορά στην ενέργεια μεταξύ αριστερών και δεξιόστροφων μορίων που αναμένεται να ακολουθηθούν, από μια εγγενή ασυμμετρία στη ηλεκτρασθενή δύναμη.
Ανεπιθύμητες περιστροφές ή δονήσεις
Αυτό καθιστά μεγαλύτερη πολυπλοκότητα για τα μόρια που είναι πολύ πιο δύσκολο να ψυχθούν από τα άτομα με τη χρήση καθιερωμένων τεχνικών. Μία τέτοια τεχνική, ψύξη με λέιζερ, περιλαμβάνει επιβράδυνση - και ως εκ τούτου μείωση της θερμοκρασίας από - άτομα σε ένα αέριο κάνοντάς τα να απορροφούν φωτόνια από δέσμες λέιζερ σε αντίθετες κατευθύνσεις. Περίπου 10.000 τέτοιες αλληλεπιδράσεις απαιτούνται για την ψύξη κάθε σωματιδίου ενός αερίου και κάθε ένα αλληλεπίδραση θα μπορούσε να προκαλέσει ανεπιθύμητη περιστροφή ή δόνηση ενός μορίου.
Παρά τις δυσκολίες αυτές, το 2010 ερευνητές στις ΗΠΑ κατάφεραν να ψύξουν ένα μόριο διατομικού αερίου με τη χρήση λέιζερ. Αυτή τη χρονιά μια άλλη αμερικανική ομάδα πέτυχε ένα παρόμοιο αποτέλεσμα χρησιμοποιώντας εξατμιστική ψύξη, η οποία μειώνει τη θερμοκρασία ενός αερίου, επιτρέποντας να διαφύγουν τα πλέον ενεργητικά σωματίδια. Αλλά αυτή η τελευταία δουλειά του Gerhard Rempe και των συνεργατών του στο Ινστιτούτο Max Planck για την κβαντική οπτική έξω από το Μόναχο, που δημοσιεύθηκε στο Nature επεκτείνεται η ψύξη σε μόρια που αποτελούνται από πέντε άτομα.
Η ομάδα που χρησιμοποιεί ένα αέριο του φθορομεθάνιο, τα μόρια του οποίου αποτελούνται από τρία άτομα υδρογόνου, ένα άνθρακα και ένα φθόριο. Αντί να χρησιμοποιήσει τα μικροσκοπικά λακτίσματα μεμονωμένων φωτονίων για να επιβραδύνει τα σωματίδια ενός αερίου, η ομάδα Rempe χρησιμοποιεί αντ' αυτού τη πολύ μεγαλύτερη διαθέσιμη ενέργεια ενός εξωτερικού ηλεκτρικού πεδίου. "Η Ηλεκτρική παγίδα" των ερευνητών αποτελείται από δύο παράλληλες πλάκες πυκνωτή, διαστάσεων 4 cm επί 2 cm που χωρίζονται από διάκενο 3 mm. Οι εσωτερικές επιφάνειες των πλακών δημιουργούν ηλεκτρικό πεδίο, που είναι ομοιόμορφο στο κέντρο του διακένου αλλά μεγαλώνει πολύ πλησιέστερα προς τις πλάκες.
Αυτό καθιστά μεγαλύτερη πολυπλοκότητα για τα μόρια που είναι πολύ πιο δύσκολο να ψυχθούν από τα άτομα με τη χρήση καθιερωμένων τεχνικών. Μία τέτοια τεχνική, ψύξη με λέιζερ, περιλαμβάνει επιβράδυνση - και ως εκ τούτου μείωση της θερμοκρασίας από - άτομα σε ένα αέριο κάνοντάς τα να απορροφούν φωτόνια από δέσμες λέιζερ σε αντίθετες κατευθύνσεις. Περίπου 10.000 τέτοιες αλληλεπιδράσεις απαιτούνται για την ψύξη κάθε σωματιδίου ενός αερίου και κάθε ένα αλληλεπίδραση θα μπορούσε να προκαλέσει ανεπιθύμητη περιστροφή ή δόνηση ενός μορίου.
Παρά τις δυσκολίες αυτές, το 2010 ερευνητές στις ΗΠΑ κατάφεραν να ψύξουν ένα μόριο διατομικού αερίου με τη χρήση λέιζερ. Αυτή τη χρονιά μια άλλη αμερικανική ομάδα πέτυχε ένα παρόμοιο αποτέλεσμα χρησιμοποιώντας εξατμιστική ψύξη, η οποία μειώνει τη θερμοκρασία ενός αερίου, επιτρέποντας να διαφύγουν τα πλέον ενεργητικά σωματίδια. Αλλά αυτή η τελευταία δουλειά του Gerhard Rempe και των συνεργατών του στο Ινστιτούτο Max Planck για την κβαντική οπτική έξω από το Μόναχο, που δημοσιεύθηκε στο Nature επεκτείνεται η ψύξη σε μόρια που αποτελούνται από πέντε άτομα.
Η ομάδα που χρησιμοποιεί ένα αέριο του φθορομεθάνιο, τα μόρια του οποίου αποτελούνται από τρία άτομα υδρογόνου, ένα άνθρακα και ένα φθόριο. Αντί να χρησιμοποιήσει τα μικροσκοπικά λακτίσματα μεμονωμένων φωτονίων για να επιβραδύνει τα σωματίδια ενός αερίου, η ομάδα Rempe χρησιμοποιεί αντ' αυτού τη πολύ μεγαλύτερη διαθέσιμη ενέργεια ενός εξωτερικού ηλεκτρικού πεδίου. "Η Ηλεκτρική παγίδα" των ερευνητών αποτελείται από δύο παράλληλες πλάκες πυκνωτή, διαστάσεων 4 cm επί 2 cm που χωρίζονται από διάκενο 3 mm. Οι εσωτερικές επιφάνειες των πλακών δημιουργούν ηλεκτρικό πεδίο, που είναι ομοιόμορφο στο κέντρο του διακένου αλλά μεγαλώνει πολύ πλησιέστερα προς τις πλάκες.
Αναρρίχηση
Αρχικά, τα προ-ψυχθέντα μόρια έγιναν στο κέντρο, χάρη στη παγίδας του φρέατος δυναμικού, που έχει συσταθεί από την αλληλεπίδρασή τους με το ηλεκτρικό πεδίο. Με μια δονητική κατάσταση από ένα υπέρυθρο λέιζερ, που τροφοδοτούνται μέσω της παγίδας, τα μόρια διασπώνται αυθόρμητα σε μια ενδιάμεση-ενέργεια περιστροφής κατάσταση που επιλέγεται έτσι ώστε να δημιουργεί βαθύτερες δυνατότητες καλύτερα από ότι στα μόρια με αρχική κατάσταση χαμηλής ενέργειας. Τα μόρια τότε μεταφορικά "αναρριχώνται" από τις πλευρές και χάνουν κινητική ενέργεια και στη συνέχεια χτυπώνται από μια δέσμη μικροκυμάτων που τα αναγκάζει να πάνε πίσω και κάτω-κάτω στην άκρη. Καθώς πέφτουν πίσω και κάτω από τις πλευρές, του πυκνωτή τα μόρια έχουν λιγότερη κινητική ενέργεια από ότι είχε παρατηρηθεί στην ενδιάμεση κατάσταση. Αυτό σημαίνει ότι, όσον αφορά την ισορροπία, χάνουν ενέργεια. Η ιδέα είναι ότι με την επανάληψη αυτής της διαδικασίας αρκετές φορές τα μόρια μπορούν να ψύχονται σε εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες.
Στην πραγματικότητα, οι ερευνητές ήταν σε θέση να μειώσουν τη θερμοκρασία περίπου σε ένα εκατομμύριο μόρια φθορομεθανίου κατά περισσότερο από έναν παράγοντα 10, έως περίπου 30 mK, μόνο σε περίπου δώδεκα φορές. Σε σχόλιο, που συνοδεύει τη μελέτη, οι John Barry και David DeMille του Πανεπιστημίου Yale λένε ότι αυτός ο μικρός αριθμός των κύκλων ήταν κρίσιμος, δεδομένου ότι τα μόρια επέτρεψαν στο να ψύχονται ακόμη και αν χάθηκε περίπου το 10% του δείγματος σε κάθε κύκλο λόγω των ανεπιθύμητων περιστροφών ή δονήσεων από τη διέγερση.
Άλλοι ερευνητές που ήρθαν σε επαφή με το physicsworld.com ήταν επίσης θετικοί. Ο Rudi Grimm του Πανεπιστημίου του Ίνσμπρουκ στην Αυστρία, λέει ότι οι φυσικοί "ψάχνουν απελπισμένα" για αποτελεσματικούς τρόπους ψύξης μορίων και ότι η "απόδειξη της αρχής της επίδειξης" που διεξάγεται από την γερμανική ομάδα "φαίνεται πολύ καλή". Ο Wolfgang Ketterle του Massachusetts Institute of Technology, εν τω μεταξύ, λέει ότι είναι "εντυπωσιασμένος" από την τελευταία τους δουλειά, με το επιχείρημα ότι και "άλλες πρόσφατες πρόοδοι" στη μοριακή ψύξης "ανοίγουν την πόρτα για την υπέρψυχρη χημεία".
Σπάζοντας το φράγμα του 1 mK
Ο Zeppenfeld λέει ότι το επόμενο βήμα της ομάδας του είναι να προσπαθήσουν να πάνε κάτω από το 1 mK, σε σημείο, που ο ίδιος πιστεύει, ότι τα μόρια θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για εφαρμογές όπως οι κβαντικοί υπολογιστές. Επιτυγχάνοντας αυτό, λέει, ενδέχεται να συνεπάγονται πιο αποτελεσματικές μεθόδους ψύξης μορίων ή μόρια που ψύχονται σε λιγότερο χρόνο από τα περίπου 0,1 s του τυπικού φθορομεθανίου, προκειμένου να περιοριστούν οι ανεπιθύμητες συγκρούσεις με το αέριο υποβάθρου στην "παγίδα".
Το σύστημα ψύξης περιγράφεται στο Nature.
Πηγή, physicsworld
Απόδοση, Δημήτρης Γιάκας
Δεν υπάρχουν σχόλια:
Δημοσίευση σχολίου