Skok o tyczce przez kwantowy kanion
Proces łączenia atomów potasu i cezu w stabilne cząsteczki przypomina nieco pokonywanie przeszkód sportowych, tyle że w mikroskopijnej skali. Naukowcy musieli najpierw schłodzić obłoki obu pierwiastków do temperatur bliskich zera absolutnego, co samo w sobie stanowiło nie lada wyzwanie techniczne. Jak przyznaje Charly Beulenkamp z zespołu:
Potas i cez były ostatnimi pierwiastkami alkalicznymi, które samodzielnie schłodzono do kondensacji Bosego-Einsteina, co wskazuje, jak trudne są do kontrolowania. Chłodzenie ich jednocześnie to wyzwanie na zupełnie innym poziomie.
Czytaj też: Naukowcy złamali kod energetycznej wody. Uwięziona staje się potężnym źródłem energii
Kluczowym etapem była magneto-asocjacja, podczas której atomy różnych pierwiastków łączą się w słabo związane pary pod wpływem zmieniającego się pola magnetycznego. Jednak to dopiero połowa sukcesu – aby cząsteczki stały się chemicznie stabilne, musiały przejść do stanu podstawowego o najniższej możliwej energii. Problem w tym, iż bezpośrednie przejście jest zabronione przez prawa mechaniki kwantowej.
Pary magneto-zasocjowane i cząsteczki w stanie podstawowym to bardzo różne istoty, a przekształcenie jednych w drugie jest jak skok o tyczce przez kanion. Aby to osiągnąć, trzeba znaleźć punkt podparcia dla tyczki, który musi być maleńką skałą ledwo widoczną w ciemności. Znalezienie takiego punktu to główny problem do rozwiązania na drodze do produkcji ultrachłodnych cząsteczek – dodaje Krzysztof Zamarski
Precyzja zamiast przypadku i laboratorium dla egzotycznych materiałów
To, co wyróżnia kwantową syntezę molekularną od tradycyjnych reakcji chemicznych, to poziom kontroli nad procesem. W konwencjonalnej chemii reakcje zachodzą w nieprzewidywalnym czasie i gwałtownie zwalniają w niskich temperaturach. Metody fizyczne pozwalają natomiast na precyzyjne określenie momentu powstania cząsteczki z dokładnością do kilku mikrosekund. Z drugiej strony, nie mówimy tu o metodzie, która zastąpi konwencjonalną chemię. Kwantowa synteza molekularna generuje zaledwie kilka tysięcy cząsteczek naraz, co w porównaniu z przemysłową skalą produkcji wygląda raczej skromnie. Wartość tego osiągnięcia leży jednak w czymś zupełnie innym niż masowa produkcja.
Czytaj też: Masz samochód elektryczny? Google właśnie rozwiązał Twój największy problem w trasie
Ultrazimne cząsteczki potasowo-cezowe, dzięki znaczącemu momentowi dipolowemu elektrycznemu, oddziałują ze sobą na duże odległości, naśladując zachowanie elektronów w układach stałych. To czyni je idealnym modelem do badania niezwykłych właściwości materiałów, w tym zjawiska nadprzewodnictwa. Ekstremalnie niska temperatura pozwala na pułapkowanie cząsteczek światłem laserowym i układanie ich w strukturach przypominających prawdziwe kryształy. Hanns-Christoph Nägerl wyjaśnia znaczenie tego podejścia:
Pułapkowanie cząsteczek w geometrii przypominającej prawdziwe kryształy daje nam możliwość bezpośredniego obserwowania dynamiki kwantowej, która rządzi egzotycznymi materiałami, co jest ideą eksperymentalnych symulacji kwantowych.
W praktyce oznacza to, że fizycy zyskali narzędzie do obserwacji i manipulacji procesami kwantowymi w kontrolowanych warunkach laboratoryjnych. Choć skala tych badań jest mikroskopijna, ich potencjalny wpływ na zrozumienie fundamentalnych właściwości materii może okazać się znaczący.