Oamenii de știință au creat recent o moleculă cu patru atomi, nemaivăzută până acum, cea mai rece de acest fel făcută vreodată.
Cercetătorii au creat molecula ciudată – o configurație ciudată de sodiu-potasiu cu o legătură chimică ultralungă – la 134 nanokelvin, sau cu doar 134 de miliarde de grad peste. zero absolut. Ei au descris materialul ultrarece pe 31 ianuarie în jurnal Natură.
Sistemele ultrareci sunt cruciale pentru a înțelege comportamentul cuantic deoarece mecanica cuantică, regulile care guvernează particulele subatomice, domină la temperaturi scăzute. Aceste configurații le permit oamenilor de știință să controleze cu precizie energia particulelor pentru a crea simulări cuantice, care modelează alte sisteme cuantice cu fizica pe care nu o înțelegem pe deplin. De exemplu, studierea comportamentului cuantic într-un sistem de molecule ultrareci ar putea ajuta într-o zi oamenii de știință să identifice proprietățile materialelor necesare la temperaturi înalte. supraconductori.
Legate de: În căutarea de 20 de ani de a dezlega tărâmul bizar al „superchimiei cuantice”
Problema este că există un compromis inerent: un sistem ultrarece care este prea simplu poate să nu capteze întreaga gamă de comportament în sisteme cuantice interesante. Dar adăugați mai multă complexitate, iar proiectarea unui experiment eficient devine mai dificilă.
„De obicei oamenii folosesc atomi sau ioni și ceea ce îi face oarecum controlabili este faptul că aveți un număr relativ limitat de stări cuantice.” Roman Bauseun cercetător în optică cuantică la Universitatea din Groningen din Olanda, a declarat pentru Live Science.
„Dar dacă desenez toate stările cuantice ale unei molecule, va umple o carte destul de groasă. Este un factor de un milion și ceva de mai multe stări.”
Toate aceste stări cuantice suplimentare deschid întrebări cuantice mai interesante, dar fac și moleculele dificil de răcit.
Pentru a rezolva această problemă, în noul studiu, Tao Shiun fizician la Academia Chineză de Științe și colaboratori internaționali au folosit un proces de răcire în mai multe etape, începând cu răcirea cu laser pentru a crea moleculele record.
Legate de: Cum funcționează laserele?
Această metodă de răcire folosește raze laser emise din toate direcțiile către un atom în mișcare. Atomul absoarbe lumina și intră într-o stare cuantică excitată, apoi eliberează imediat energie pentru a reveni la starea sa fundamentală. Dar, din cauza modului în care atomul se mișcă în raport cu razele laser (cunoscut sub numele de efect Doppler), atomul eliberează puțin mai multă energie decât absoarbe, răcindu-se singur.
„Problema cu utilizarea acestei tehnici pentru molecule este că nu există o singură stare fundamentală. Ați avea nevoie potențial de mii de fascicule laser și este doar prea mult efort tehnic”, a spus Bause.
Cu toate acestea, atomii ultrareci sunt un punct de plecare excelent pentru a construi molecule ultrareci. Folosind un amestec de atomi de sodiu (Na) și potasiu (K) ultrareci, echipa lui Shi a asociat slab aceste particule unice în molecule diatomice de NaK.
Aici au început cu adevărat dificultățile tehnice. „Problema cu asocierea atomilor reci este că îi încălziți în timp ce faceți acest lucru, așa că atunci aveți nevoie de o altă tehnică de răcire, răcirea evaporativă”, a spus Bause.
Din motive pe care nimeni nu le înțelege prea bine, în aceste condiții de răcire moleculele se lipesc împreună, iar experimentatorul nu le mai poate controla cu precizie. Această provocare specială i-a uimit pe cercetătorii din domeniu de ani de zile.
Dar, strălucind în cuptorul cu microunde controlat cu precizie, echipa lui Shi a depășit problema aglomerației în moleculele diatomice NaK, pe măsură ce acestea au fost răcite la 134 nanokelvin.
Microundele au avut, de asemenea, un avantaj unic atunci când au făcut ca cele două molecule de NaK să se asocieze slab și să formeze o moleculă cu patru atomi de (NaK)2. „Dacă modelați cuptorul cu microunde exact corect, ceea ce aveți este un potențial care nu este doar respingător la distanțe scurte, ci este și atractiv la intervale mai lungi”, a spus Bause.
Ca atare, această moleculă cu patru atomi, prima de acest fel, are o legătură centrală de 1000 de ori mai lungă decât legătura dintre atomii de sodiu și potasiu și a fost creată la o temperatură de peste 3000 de ori mai rece decât orice moleculă anterioară de patru atomi.
Noile descoperiri sunt interesante pentru că „ne vor aduce în cele din urmă în locuri interesante în care în prezent nu avem niciun mâner teoretic – supraconductori la temperatură ridicată și materiale pentru baterii cu litiu mai bune, de exemplu”, a spus Bause.