Naukowcy z JILA stworzyli najzimniejszy gaz molekularny. Rządzą w nim prawa mechaniki kwantowej, a nie fizyki klasycznej. Osiągnięcie to pozwoli na dalszy postęp w chemii czy komputerach kwantowych.

Wizja artystyczna rekordowo zimnego gazu – kwantowe cząsteczki potasu-rubidu. Zdjęcie: Steven Burrows / JILA.

Gaz składający się z molekuł potasowo-rubidowych (KRb) został schłodzony do temperatury 50 nanokelwinów (nK), czyli 50 miliardowych części kelwina powyżej zera absolutnego. Molekuły znajdowały się na najniższym możliwym poziomie energetycznym, tworząc zdegenerowany gaz Fermiego. W gazie kwantowym wszystkie molekuły mają ściśle ograniczone właściwości. Po obniżeniu jego temperatury do najniższej z możliwych naukowcy zyskują maksymalną kontrolę nad nimi.

Wspomniany powyżej gaz składa się z atomów należących do dwóch klas. Potas jest fermionem, a rubid bozonem.

JILA (dawniej Joint Institute for Laboratory Astrophysics) instytucja zajmująca się badaniami fizycznymi. Jest wspólnym dziełem University of Colorado i amerykańskiego Narodowego Instytutu Standardów i Technologii (NIST). Przed 22 laty uzyskano tam po raz pierwszy kondensat Bosego-Einsteina, a 10 lat temu naukowcy z JILA stworzyli pierwszy gaz molekularny. Instytut specjalizuje się w takich zagadnieniach jak badania ultrazimnych atomów i molekuł, projektowanie laserów i urządzeń optycznych czy procesy wpływające na ewolucję gwiazd i galaktyk.

Podstawowe techniki, jakich użyliśmy do uzyskania tego gazu były takie, jakich już używaliśmy wcześniej. Jedak wykorzystaliśmy też kilka nowych sztuczek. Znacząco udoskonaliliśmy sposób chłodzenia atomów, dzięki czemu więcej udało nam się w prowadzić w najniższy możliwy stan energetyczny. To przełożyło się na większą wydajność konwersji, więc uzyskaliśmy więcej moleku„, mówi Jun Ye z JILA.

W efekcie naukowcom udało się wytworzyć 100 000 molekuł o temperaturze 250 nK i 25 000 o temperaturze 50 nK. Wcześniej udawało się uzyskiwać maksymalnie dzisiątki tysięcy molekuł, a ich temperaturę obniżano do kilkuset mikrokelwinów. Gaz uzyskany przez JILa ma temperaturę o około 30% niższą niż minimalna przy której zjawiska kwantowe zaczynają przeważać nad zjawiskami z fizyki klasycznej. Ponadto molekuły przetrwały przez kilka sekund, a to bardzo długo.

Nowy gaz jest pierwszym, który był na tyle zimny i gęsty, że fale materii molekuł były dłuższe niż odległości pomiędzy nimi, zatem fale na siebie się nakładały, tworząc zjawisko degeneracji kwantowej. Zjawisko to przyczyniło się m.in. do zwiększonego odpychania się fermionów, które i tak z natury są samotnikami. Dzięki temu w gazie zachodziło jeszcze mniej reakcji chemicznych, przez co był on bardziej stabilny. Jak mówi Ye, po raz pierwszy w historii udało się zaobserwować wspólny efekt kwantowy, który w sposób bezpośredni wpływał na chemię poszczególnych molekuł.

To pierwszy zdegenerowany gaz kwantowy składający się ze stabilnych molekuł. Reakcje chemiczne zostały w nim stłumione. Nikt tego nie przewidział, mówi Ye.

Nowy ultrazimy gaz pozwoli naukowcom na porównanie reakcji chemicznych zachodzących w środowiskach kwantowych i klasycznych oraz badanie, jak na całość wpływa pole elektryczne. Może to potencjalnie doprowadzić do opracowania nowych rodzajów procesów chemicznych, nowych metod obliczeń kwantowych oraz powstania nowych precyzyjnych systemów pomiarowych, takich jak zegary molekularne.

 

 

 

Źródło: NIST, KopalniaWiedzy, http://www.sci-news.com/physics/coldest-quantum-gas-06944.html