Leiders op het gebied van onderzoek naar ultrakoude moleculen van de universiteiten van Columbia en Harvard werken samen om het begrip van de kwantummechanica van chemische reacties te vergroten.

De samenwerking zal resulteren in de ontwikkeling van nieuwe, preciezere technieken die het gebied van ultrakoude chemie zullen uitbreiden tot een momenteel onbereikbare reeks moleculaire soorten en reacties, nieuwe generaties experimenten in de fundamentele fysica mogelijk te maken.

"We zijn erg enthousiast over deze samenwerking omdat we twee onderzoeksrichtingen combineren die zich afzonderlijk hebben ontwikkeld en nu kunnen worden samengebracht om een ​​nieuwe set hulpmiddelen te ontwikkelen voor zowel natuurkundigen als scheikundigen. " zei Tanya Zelevinsky, een universitair hoofddocent Atomic, Molecular &Optical Physics en hoofdonderzoeker van het Z Lab van Columbia University.

De afgelopen jaren hebben de vooruitgang van kwantumtechnologieën geleid, inclusief laserkoeling, die de studie van atomen bij microkelvin mogelijk hebben gemaakt, of bijna nul, temperaturen. In deze staat, wetenschappers kunnen de invloed van kwantumstatistieken manipuleren en bestuderen, beperkende geometrie, en magnetische velden - niet-klassieke kenmerken die ontoegankelijk zijn in opstellingen bij kamertemperatuur - op het gedrag van een atoom.

Experimentalisten weten al jaren dat ultragevoelige metingen aan ultrakoude atomen of moleculen enkele van de nu verborgen geheimen van de natuur kunnen onthullen. zoals of de 'constanten van de natuur' eigenlijk constant zijn of met de tijd veranderen.

Wetenschappers zijn erin geslaagd laserkoeling te gebruiken om vele soorten atomen te bestuderen, echter atomen van het meest significante chemische belang voor onderzoekers, zoals waterstof, zuurstof, en stikstof, missen de eigenschappen die nodig zijn voor directe koeling. Er zijn geheel nieuwe technieken nodig om de ultrakoude chemie van deze soorten te onderzoeken.

In een poging om deze uitdaging te overwinnen, onderzoekers beginnen zich te concentreren op het maken van ultrakoude moleculen die deze doelatomen bevatten. Het ontwikkelen en toepassen van deze technieken is het doel van een nieuw project gefinancierd door de W. M. Keck Foundation.

Hoofdonderzoeker Zelevinsky en co-onderzoeker John Doyle, op Harvard, hebben in de loop van drie jaar een subsidie ​​van $ 1 miljoen ontvangen om hun werk naar een hoger niveau te tillen door een experimentele faciliteit te ontwikkelen die het gebied van ultrakoude chemie zal openstellen voor een veel breder scala aan atomaire en moleculaire soorten en reacties.

Om de uitdaging van molecuulkoeling aan te gaan, de onderzoekers benaderen het probleem vanuit een nieuwe invalshoek. Zelevinsky legde uit dat de aanhechting van bepaalde metaalatomen, zoals kalk, zorgt ervoor dat sommige moleculen kunnen worden gekoeld door laserlicht.

Het plan van het team is om een ​​reeks moleculen te maken met dit metalen hulpstuk, laserlicht toepassen om de moleculen af ​​te koelen tot temperaturen die tot nu toe onbereikbaar waren, en vervolgens extra laserlicht te gebruiken om het metaalatoom af te snijden in een proces dat fotodissociatie wordt genoemd. Deze techniek maakt de manipulatie van beweging en chemische bindingen van complexere moleculen mogelijk om een ​​verscheidenheid aan ultrakoude molecuulsoorten te creëren die zeer wenselijk zijn, maar tot nu toe onbereikbaar, aan onderzoekers, waardoor het veld in nieuw territorium wordt geduwd.

Het potentieel voor het project is onmetelijk.

"Er zijn zoveel dingen die deze moleculen ons zullen helpen begrijpen, " Zelevinsky zei:eraan toevoegend dat het bestuderen van chemische reacties met polyatomaire moleculen bij ultrakoude temperaturen nieuwe wegen zal openen voor het testen van het huidige begrip van de fundamentele symmetrieën en natuurwetten, inclusief dingen over ons universum die wetenschappers nog niet kunnen verklaren, zoals materie-antimaterie onbalans, donkere energie, en interstellaire omgevingen. Het onderzoek zal ook moleculen opleveren voor tafel-experimenten waarvoor van oudsher versnellers van meerdere miljarden dollars nodig waren.

"Het is echt een grote winst om dat soort natuurkunde te kunnen doen zonder miljarden uit te geven aan een versneller, "zei ze. "Het doen van scheikunde in het zeer fundamentele regime heeft een gevoel van schoonheid waar mensen zich mee kunnen identificeren. Toen de kwantumfysica in atomen voor het eerst werd uitgewerkt, niemand had zich de vele manieren kunnen voorstellen waarop het tegenwoordig in ons dagelijks leven zou worden gebruikt. Moleculen - ze kunnen trillen en roteren, en zijn rijker dan atomen. Er zullen er veel zijn, veel meer toepassingen die we ons nu niet eens kunnen voorstellen."