Voor jaren, wetenschappers hebben gezocht naar manieren om moleculen af ​​te koelen tot ultrakoude temperaturen, op welk punt de moleculen moeten vertragen tot kruipen, waardoor wetenschappers hun kwantumgedrag nauwkeurig kunnen beheersen. Dit zou onderzoekers in staat kunnen stellen om moleculen te gebruiken als complexe bits voor kwantumcomputers, individuele moleculen afstemmen als kleine knoppen om meerdere stromen berekeningen tegelijk uit te voeren.

Terwijl wetenschappers supergekoelde atomen hebben, hetzelfde doen voor moleculen, die complexer zijn in hun gedrag en structuur, blijkt een veel grotere uitdaging te zijn.

Nu hebben natuurkundigen van het MIT een manier gevonden om moleculen van natriumlithium af te koelen tot 200 miljardste Kelvin. slechts een haar boven het absolute nulpunt. Ze deden dit door een techniek toe te passen die botsingskoeling wordt genoemd, waarin ze moleculen koud natriumlithium onderdompelden in een wolk van nog koudere natriumatomen. De ultrakoude atomen fungeerden als koelmiddel om de moleculen nog verder af te koelen.

Botsingkoeling is een standaardtechniek die wordt gebruikt om atomen af ​​te koelen met behulp van andere, koudere atomen. En al meer dan een decennium onderzoekers hebben geprobeerd een aantal verschillende moleculen te superkoelen met behulp van collisiekoeling, alleen om te ontdekken dat wanneer moleculen botsen met atomen, ze wisselden energie uit op zo'n manier dat de moleculen daarbij werden verhit of vernietigd, zogenaamde "slechte" botsingen.

In hun eigen experimenten, de MIT-onderzoekers ontdekten dat als natriumlithiummoleculen en natriumatomen op dezelfde manier zouden draaien, ze kunnen voorkomen dat ze zichzelf vernietigen, en in plaats daarvan betrokken bij "goede" botsingen, waar de atomen de energie van de moleculen wegnamen, in de vorm van warmte. Het team gebruikte nauwkeurige controle van magnetische velden en een ingewikkeld systeem van lasers om de spin en de rotatiebeweging van de moleculen te choreograferen. Als resultaat, het atoom-molecuulmengsel had een hoge verhouding van goede tot slechte botsingen en werd afgekoeld van 2 microkelvin tot 220 nanokelvin.

"Collisionele koeling is het werkpaard geweest voor het koelen van atomen, ", voegt Nobelprijswinnaar Wolfgang Ketterle toe, de John D. Arthur hoogleraar natuurkunde aan het MIT. "Ik was er niet van overtuigd dat ons plan zou werken, maar omdat we het niet zeker wisten, we moesten het proberen. We weten nu dat het werkt voor het koelen van natriumlithiummoleculen. Of het ook voor andere klassen moleculen zal werken, valt nog te bezien."

Hun bevindingen, gepubliceerd in het tijdschrift Natuur , markeer de eerste keer dat onderzoekers met succes botsingskoeling hebben gebruikt om moleculen af ​​​​te koelen tot nanokelvin-temperaturen.

Ketterle's coauteurs op het papier zijn hoofdauteur Hyungmok Son, een afgestudeerde student aan de afdeling Natuurkunde van de Harvard University, samen met MIT-student natuurkunde Juliana Park, en Alan Jamison, een professor in de natuurkunde aan de Universiteit van Waterloo en gastwetenschapper in het Research Laboratory of Electronics van MIT.

Ultralage temperaturen bereiken

Vroeger, wetenschappers ontdekten dat toen ze probeerden moleculen af ​​te koelen tot ultrakoude temperaturen door ze te omringen met nog koudere atomen, de deeltjes botsten zodanig dat de atomen extra energie of rotatie aan de moleculen gaven, ze uit de val laten vliegen, of zelfvernietigend door chemische reacties. De MIT-onderzoekers vroegen zich af of moleculen en atomen, dezelfde draai hebben, zou dit effect kunnen voorkomen, en blijven daardoor ultrakoud en stabiel. Ze probeerden hun idee te testen met natriumlithium, een "diatomisch" molecuul waarmee de groep van Ketterle regelmatig experimenteert, bestaande uit één lithium- en één natriumatoom.

"Natriumlithiummoleculen zijn heel anders dan andere moleculen die mensen hebben geprobeerd, " Zegt Jamison. "Veel mensen verwachtten dat die verschillen de kans op koeling nog kleiner zouden maken. Echter, we hadden het gevoel dat deze verschillen een voordeel konden zijn in plaats van een nadeel."

De onderzoekers verfijnden een systeem van meer dan 20 laserstralen en verschillende magnetische velden om natrium- en lithiumatomen in een vacuümkamer op te vangen en af ​​te koelen. tot ongeveer 2 microkelvin - een temperatuur die volgens Son optimaal is voor de atomen om aan elkaar te binden als natriumlithiummoleculen.

Toen de onderzoekers in staat waren om voldoende moleculen te produceren, ze schenen laserstralen met specifieke frequenties en polarisaties om de kwantumtoestand van de moleculen te regelen en zorgvuldig afgestemde microgolfvelden om atomen op dezelfde manier te laten draaien als de moleculen. "Dan maken we de koelkast kouder en kouder, " zegt zoon, verwijzend naar de natriumatomen die de wolk van de nieuw gevormde moleculen omringen. "We verlagen de kracht van de vanglaser, de optische val losser en losser maken, waardoor de temperatuur van natriumatomen daalt, en de moleculen verder afkoelt, tot 200 miljardste van een kelvin."

De groep constateerde dat de moleculen tot wel een seconde op deze ultrakoude temperaturen konden blijven. "In onze wereld een seconde is erg lang, " zegt Ketterle. "Wat je met deze moleculen wilt doen, is kwantumberekening en het verkennen van nieuwe materialen, die allemaal in kleine fracties van een seconde kunnen worden gedaan."

Als het team ervoor kan zorgen dat natriumlithiummoleculen ongeveer vijf keer kouder zijn dan wat ze tot nu toe hebben bereikt, ze zullen een zogenaamd kwantumontaard regime hebben bereikt waarin individuele moleculen niet meer van elkaar te onderscheiden zijn en hun collectieve gedrag wordt gecontroleerd door de kwantummechanica. Son en zijn collega's hebben enkele ideeën om dit te bereiken, wat maanden werk zal vergen om hun setup te optimaliseren, evenals de aanschaf van een nieuwe laser om in hun opstelling te integreren.

"Ons werk zal leiden tot discussie in onze gemeenschap waarom botsingskoeling voor ons heeft gewerkt, maar niet voor anderen, Son zegt:"Misschien hebben we binnenkort voorspellingen hoe andere moleculen op deze manier kunnen worden gekoeld."