Das Ist Kalt! Auf Einen Schatten Gekühlte Moleküle Oberhalb Des Absoluten Nullpunkts

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Eine neue methode zur abkühlung von atomen auf eine ultrakalte temperatur könnte zur untersuchung der supraleitfähigkeit und der quantenmechanik verwendet werden.

Eine neue Technik stößt an die Grenzen, wie kalte Moleküle einen winzigen Bruchteil über dem absoluten Nullpunkt erreichen können.

Die Forscher verwendeten eine Kombination aus Lasern und Magnetfeldern, um ein Molekül aus Calciummonofluorid einzufangen und auf 50 Mikrokelvin oder 50 Millionstel Grad über dem absoluten Nullpunkt oder minus 459,67 Grad Fahrenheit (minus 273,15 Grad Celsius) zu kühlen.

Andere Labors haben Moleküle kälter gemacht, sagte der leitende Forscher der Studie, Michael Tarbutt, Physiker am Imperial College London. Die neue Technik arbeitet jedoch mit einer breiteren Palette von Substanzen als die rein laserbetriebene Kühlung. Zum Beispiel müssen die meisten Labore exotische Moleküle aus Elementen wie Natrium und Kalium bilden.

"Diese Moleküle haben nicht alle Eigenschaften, die für viele Anwendungen von ultrakalten Molekülen benötigt werden", sagte Tarbutt in einer E-Mail an WordsSideKick.com.

Einige dieser Anwendungen umfassen die Untersuchung der Supraleitung und ganzer Atomsysteme, die von den bizarren Regeln winziger subatomarer Teilchen gesteuert werden, die als Quantenmechanik bekannt sind. Wenn Sie mehr darüber wissen, wie Supraleitung funktioniert, können Wissenschaftler besser verstehen, welche Materialien dies tun können - und wie sie bei höheren Temperaturen hergestellt werden können (im Allgemeinen müssen supraleitende Materialien kalt gehalten werden). [Die 18 größten ungelösten Geheimnisse der Physik]

Abkühlung nach unten

Die Temperatur ist nur ein Maß dafür, wie schnell sich im Durchschnitt die Moleküle in einer Substanz bewegen. Um diese ultrakalten Temperaturen zu erreichen, wird das Molekül in der Probe (in diesem Fall Calciummonofluorid) verlangsamt.

Hier kommen die Laserstrahlen ins Spiel. Bei der Kühlung werden Laser von entgegengesetzten Seiten auf das Molekül geschossen. Der erste Laser trifft es von links und das Molekül absorbiert ein einzelnes Photon. Dieses Photon reduziert den Impuls des Moleküls, genau wie eine Billardkugel, die mit einer anderen Kugel aus der entgegengesetzten Richtung kollidiert. Das Calciummonofluoridmolekül verliert jedoch nach diesem ersten Laserschuß nicht seinen gesamten Impuls. Es bewegt sich in Richtung des zweiten Lasers, dem rechten. Bei seiner Annäherung scheint das Licht dieses Lasers aus der Perspektive des Moleküls eine kürzere Wellenlänge zu haben, ein Phänomen, das als Doppler-Verschiebung bekannt ist. Das Molekül absorbiert ein weiteres Photon vom zweiten Laser und wird wieder verlangsamt. Bei einem mit Laser betriebenen Tischtennis als Doppler-Kühlung wird das Molekül langsamer und kälter.

Die Laser erregen das Molekül auch so stark, dass es nach jeder Absorption Photonen emittiert. Da diese Photonen jedoch in zufällige Richtungen gesendet werden, ändert sich der Gesamtimpuls des Calciummonofluorids nach vielen Laserschüssen nicht. Diese Photonenemission setzt dem Impuls des Moleküls eine geringere Grenze, da jede Emission einen winzigen "Kick" liefert - und das bedeutet, dass das Molekül noch etwas "warm" ist. Diese untere Temperaturgrenze wird als Doppler-Grenze bezeichnet.

Über dem Limit

Um diese Grenze zu überschreiten, benutzte Tarbutt's Team ein Magnetfeld, um das Molekül an Ort und Stelle einzufangen und erneut von Lasern getroffen zu werden. Wenn man sich das Molekül am Fuß eines "Hügels" vorstellt, wobei der Hügel potentielle Energie ist, drücken die Laser ihn den Hügel hinauf. In der gewöhnlichen Welt erhöht das Treten eines Balls einen Hügel seine potentielle Energie, verringert jedoch seine kinetische Energie, da er sich verlangsamt, wenn er sich der Spitze nähert. Dasselbe gilt für das Calciummonofluorid-Molekül. (Dies wird Sisyphus-Kühlung genannt, benannt nach dem Mann im griechischen Mythos, der zu einer Ewigkeit verurteilt wurde, einen Felsen auf einen Hügel zu rollen, nur um ihn wieder runter zu rollen). Die Verringerung der kinetischen Energie des Moleküls reduzierte seine Temperatur auf 50 Mikrokelvin.

Neben dem Temperaturrekord bestand ein anderer einzigartiger Aspekt der Arbeit in der Verwendung natürlich vorkommender Substanzen, sagte Lincoln Carr, Professor für Physik an der Colorado School of Mines, der nicht an der Studie beteiligt war.

"Bevor die Leute immer an etwas Seltsamem wie Kalium-Rubidium gearbeitet haben", sagte er. Während Kalium-Rubidium und andere Moleküle natürlicherweise nicht vorkommen, bilden Kalzium- und Fluoridatome Moleküle in der Natur und erfordern daher keine speziellen Techniken zur Vereinigung. Das eröffnet viele Forschungsmöglichkeiten, sagte Carr.

"Es gibt alle Arten von natürlich vorkommenden Molekülen, die Sie studieren könnten", sagte er.

Die Studie erschien in der Ausgabe vom 28. August von Nature Physics.

Ursprünglich auf WordsSideKick.com veröffentlicht.


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