Zagadki chłodzenia

W Sekcji Archeo w Pulsarze prezentujemy archiwalne teksty ze „Świata Nauki” i „Wiedzy i Życia”. Wciąż aktualne, intrygujące i inspirujące.

Ponieważ my, ludzie, jesteśmy duzi i ciepli, trudno nam dostrzec działanie praw mechaniki kwantowej. Dlatego fizycy za pomocą laserów oziębiają atomy do bilionowej kelwina. Wtedy poruszają się one dostatecznie wolno i reguły kwantowego świata stają się widoczne. Okazuje się jednak, że kiedy próbujemy powtórzyć to samo z cząsteczkami zbudowanymi z dwóch lub więcej atomów, napotykamy trudności: ultrazimne cząsteczki podstępnie ogrzewają się, uciekając badaczom z pola widzenia. Zjawisko to zostało nawet nazwane „utratą ultrazimnych cząsteczek”.

Jun Ye, fizyk z University of Colorado w Boulder i pionier badań w tej dziedzinie, wyjaśnia, że umiejętność obserwowania i kontrolowania ultrazimnych cząsteczek ułatwiłaby naukowcom budowę maszyn kwantowych. Nagłe ogrzewanie się cząsteczek stanowi jednak olbrzymi problem. W trakcie prowadzonych eksperymentów Ye zauważył, że zjawisko to jest prawdopodobnie związane z reakcjami chemicznymi cząsteczek, a więc procesem będącym domeną chemii, a nie fizyki. Mechanizm zjawiska został niedawno wyjaśniony w Nature Physics przez inną grupę badaczy. Yu Liu z Harvard University, który jest współkierownikiem tego zespołu, wyjaśnia, że jego celem było badanie przebiegu samych reakcji chemicznych. I dodaje: „to, co zobaczyliśmy podczas eksperymentów, okazało się odpowiedzią na pytanie” o przyczynę utraty ultrazimnych cząsteczek. Badaczom udało się spowolnić przebieg reakcji chemicznych pomiędzy cząsteczkami tak, że zaobserwowali ich stadium przejściowe, tzw. kompleks, który występuje, zanim cząsteczki przekształcą się w produkty reakcji. Ponieważ cząsteczki za pośrednictwem sił elektrycznych oddziałują ze światłem, zespół użył laserów, aby uniemożliwić ich ucieczkę.

W temperaturze pokojowej kompleks istnieje zbyt krótko, aby można go zaobserwować. W niskiej wszystko przebiega wolniej, ale ma to swoją cenę: czasu jest dość, aby ultrazimna struktura miała szansę oddziaływać ze światłem, które utrzymuje je w stałym położeniu. Ten właśnie proces powoduje ogrzewanie cząsteczek, sprawiając, że niektóre z nich zyskują wyraźnie większą temperaturę.

Wiedząc o występowaniu takiego oddziaływania, fizycy mogą unikać używania laserów, których promieniowanie wzbudza kompleks. Z kolei sama możliwość oddziaływania kompleksów ze światłem jest obiecująca. Nandini Mukherjee, chemiczka ze Stanford University, która nie uczestniczyła w opisywanych badaniach, wyjaśnia, że analizy właściwości kompleksu „są od dawna celem prac mających wyjaśnić mechanizmy reakcji”.

Liu zapowiada, że zespól zamierza użyć promieniowania laserowego, aby w pełni kontrolować przebieg takich reakcji. Z kolei drugi z głównych autorów, Ming-Guang Hu (również z Harvardu), dodaje, że znajomość procesu może wreszcie wyjaśnić, jak reguły mechaniki kwantowej wpływają na odmienny przebieg reakcji w temperaturze bliskiej zera bezwzględnego i w temperaturze pokojowej. Jak widać, rozwiązanie zagadki, która od dawna nurtowała fizyków, pozwoli uzyskać o wiele więcej informacji z dziedziny chemii kwantowej.

Dziękujemy, że jesteś z nami. Pulsar dostarcza najciekawsze informacje naukowe i przybliża wyselekcjonowane badania naukowe. Jeśli korzystasz z publikowanych przez Pulsar materiałów, prosimy o powołanie się na nasz portal. Źródło: www.projektpulsar.pl.