Odkrywanie tajemnic zderzeń zimnych cząsteczek
W wysokich temperaturach można przyjąć, że cząsteczki zachowują się jak kule bilardowe. Jednak w bardzo niskich temperaturach dominująca staje się mechanika kwantowa. Oznacza to, że cząsteczki nie zachowują się już jak „klasyczne kule bilardowe”, ale bardziej jak fale kwantowe. „Podczas zderzenia dochodzi do interferencji tych «fal», co prowadzi do dziwacznych nowych zjawisk związanych ze zderzeniami cząsteczek, które nie mogą zachodzić w wysokich temperaturach” — wyjaśnia koordynator projektu FICOMOL(odnośnik otworzy się w nowym oknie), Sebastiaan van de Meerakker z Uniwersytetu im. Radbouda(odnośnik otworzy się w nowym oknie) w Holandii. „Zjawiska te przewidziano dziesiątki lat temu, ale pozostawały nieuchwytne dla eksperymentów. Wynika to z faktu, że niezwykle trudno jest badać zderzenia molekularne w wystarczająco niskich temperaturach”.
Kontrolowanie zderzeń molekularnych za pomocą pól elektrycznych
Projekt FICOMOL, wspierany przez Europejską Radę ds. Badań Naukowych(odnośnik otworzy się w nowym oknie) (ERBN), postawił sobie za cel przezwyciężenie tego wyzwania. „Aby to zrobić, opracowaliśmy metody osiągania temperatur tak niskich jak ~100 milikelwinów” — mówi van de Meerakker. „Podjęliśmy również pierwsze kroki w celu skonstruowania «pokręteł sterujących», wykorzystując pola elektryczne do sterowania zderzeniami molekularnymi”. Aby zmienić prędkość ruchu cząsteczek do przodu zastosowano tzw. „spowalniacz Starka”, a do zmiany ich drogi ruchu — zakrzywione heksapole. Dzięki temu zespół projektowy mógł pozwolić cząsteczkom oddziaływać ze sobą z niewielką prędkością względną. „Jako że temperatura jest zasadniczo miarą względnego ruchu cząsteczek, nasza technika umożliwiła nam sondowanie zderzeń w temperaturach wynoszących zaledwie 100 milikelwinów bez konieczności stosowania metod kriogenicznych” — wyjaśnia van der Meerakker. Zderzenia były wykrywane za pomocą potężnych laserów, a następnie mapowane na dwa wymiary, aby ujawnić prędkość i kierunek odrzutu cząsteczek po zderzeniu.
Niskotemperaturowe zjawiska rozpraszania
Techniki te umożliwiły zespołowi projektowemu zbadanie i odkrycie nowych zjawisk rozpraszania w niskich temperaturach. „To są badania czysto podstawowe, a ich główną motywacją była ciekawość naukowa” — mówi van de Meerakker. „Może mieć jednak istotne zastosowania. Naukowcy pracujący z zimnymi molekułami opracowują sposoby wykorzystania pojedynczych molekuł np. w komputerach kwantowych. Dokładne zrozumienie właściwości zderzeń pojedynczych cząsteczek w niskich temperaturach jest kluczowym warunkiem wstępnym”. Inne zastosowania mogą obejmować astrochemię. „Wiemy, że obszar między gwiazdami we Wszechświecie jest pełen cząsteczek, które oddziałują ze sobą” — zauważa van de Meerakker. „Możemy badać skład chemiczny przestrzeni międzygwiezdnej za pomocą teleskopów kosmicznych. Aby zinterpretować te obserwacje i modelować je, ponownie kluczowe jest jednak dokładne zrozumienie właściwości zderzeń pojedynczych cząsteczek w niskich temperaturach”.
Urządzenia kwantowe oparte na pojedynczych cząsteczkach
W przyszłości badania skupią się na dwóch kluczowych kwestiach. „Udało nam się osiągnąć wystarczająco niskie temperatury, aby zacząć manipulować zderzeniami za pomocą zewnętrznych pól elektrycznych lub magnetycznych” — mówi van de Meerakker. „W nadchodzących latach spodziewamy się uwolnić pełen potencjał tego «dodatkowego pokrętła sterującego»”. Po drugie, van de Meerakker ze współpracownikami planuje opracować nowe metody obniżania osiągalnych temperatur o kolejne dwa do trzech rzędów wielkości. Zapewnili sobie grant dla doświadczonych naukowców ERBN, który pozwoli im pracować nad realizacją tych celów w przeciągu najbliższych pięciu lat. „Mamy nadzieję, że uda nam się ujawnić wszystkie tajemnice zderzeń zimnych cząsteczek na pełnym poziomie mechaniki kwantowej” — dodaje van de Meerakker. „Ostatecznie może to zaowocować nowymi urządzeniami kwantowymi opartymi na pojedynczych cząsteczkach, co może przynieść korzyści dla szeregu dziedzin badawczych, od nauk o atmosferze po astrochemię”.
