Šaldomos molekulės pasiekė sunkiai suvokiamą fizikos rekordą ir atvėrė dar neregėtos elgsenos pasaulį: prieš akis galybė naujų atradimų

Prieš dešimtmečius atskirų atomų atšaldymas beveik iki absoliutaus nulio dalelių fizikams atvėrė naują tyrimų pasaulį. Naujausias proveržis irgi gali tapti vaisinga dirva į molekules sukibusių atomų tyrimams.

Londono imperatoriškojo koledžo (Imperial College London – ICL) Šaltos materijos centro tyrėjų rekordiniam atšaldymui naudotas procesas nelabai skiriasi nuo naudojamo atomų šaldymui.

Judanti dalelė yra karšta dalelė, tad, norint atšaldyti atomą ar molekulę, tereikia sulėtinti jų nutrūktgalvišką lakiojimą.

Tai galima atlikti, pasinaudojant tuo, kaip atomai sugeria ir spinduliuoja šviesos kvantus, ir taip netenka dalies savo energijos.

Magnetiniu lauku laikomi atomai apšviečiami atitinkamo spinduliavimo dažnio lazerio spinduliu.

Jei atomas juda nuo šviesos tolyn, jį veikiantis dažnis dėl Doplerio efekto šiek tiek pasislenka link raudonojo spektro galo. Jei dalelė juda link spinduliavimo šaltinio, ją veikiantis dažnis yra pasislinkęs link mėlynojo spektro galo.

Parinkus tinkamą dažnį, link lazerio tinkamu greičiu lekiantis atomas gali sugerti šviesos fotoną. Taip jo elektronas pakyla į aukštesnį energijos lygį, iš kurio nusileisdamas, išspinduliuoja fotoną atsitiktine kryptimi.

Dėl fotonų emisijos mažėja vidutinis atomų judesio kiekis, jie po truputį lėtėja.

Šis, Doplerio aušinimu vadinamas, procesas gali šaldyti daleles tol, kol išspinduliuojant fotonus netenkama energija susilygina su laikomų atomų gaunama energija.

Naudojant kitas technikas, atskiri atomai gali būti atšaldomi žemiau Doplerio ribos, ir fizikai gali pasiekti sunkiai suvokiamą 50 trilijonųjų kelvino dalių temperatūrą, ar 0,000 000 000 05 laipsnius aukščiau absoliutaus nulio.

Bet iki šiol fizikams pavyko priversti atomus formuoti molekules šaltyje, ar atšaldyti egzistuojančias stroncio fluorido molekules iki temperatūros, aukštesnės už Doplerio ribą.

Į sudėtingesnes sistemas surišti atomai taip paklusniai į žinomus šaldymo triukus nereaguoja.

Siekdami praplėsti ribas, tyrėjai būrelį kalcio monofluorido molekulių vietoje laikė magnetinio lauko ir lazerių kombinacija, vadinamaisiais magneto-optiniais spąstais.

Taip pavyko pasiekti Doplerio ribą. Toliau tyrėjai panaudojo antrą techniką, vadinamąjį Sizifo šaldymą.

Jei prisimenate senovės graikų mitus, karalius Sizifas buvo valdovas, mėgęs pramogai galabyti savo svečiu ir už tai prakeiktas amžinai į kalną ridenti akmenį, kuris vis nudardėdavo žemyn.

Būtent toks begalinis darbas ir siurbia dalelių energiją.

Tik vietoje kalno fizikai naudojo porą vienas prieš kitą stovinčių lazerių, kurių spinduliai buvo poliarizuoti taip, kad dalelės koptų į energijos kalną ir taip netektų momento.

Taip tyrėjams pavyko kalcio monofluoridą atvėsinti iki 50 mikrokelvinų, t.y. temperatūros, vos 50-čia milijonųjų kelvino dalių aukštesnės už absoliutų nulį.

Tai vis dar toli gražu nuo ribos, iki kurios galima atšaldyti atskirus atomus, bet geriau, nei ankstesnis 400 µK rekordas, pasiektas su stroncio fluorido molekulėmis.

Teorinė absoliutaus nulio temperatūros siena yra dalelių fizikos Zeno paradoksas – judančios dalelės energiją galima sumažinti tik dalimi, tad matematiškai neįmanoma, kad dalelė visiškai neturėtų šilumos.

Bet siekiant šio begalinio tikslo, pavyko neregėtai detaliai ištirti daleles, kurios elgiasi neregėtai keistai ir studijuoti jas drauge laikančių jėgų atsiradimą.

Ši nauja pasiekta riba be abejonės praplės mūsų žinias apie chemijos veikimą fundamentaliu lygmeniu.

Tyrimas publikuotas Nature Physics

Mike McRae
sciencealert.com