Az eddigi leghidegebb nagy molekula sosem látott kötést alakított ki

A tudósok elkészítették az eddigi leghidegebb nagy molekulát – és egy rendkívül furcsa kémiai kötéssel rendelkezik.

A tudósok nemrégiben egy eddig soha nem látott négyatomos molekulát hoztak létre – a valaha készült leghidegebbet a maga nemében, írja a Live Science.

A kutatók a furcsa részecskét – a nátrium-kálium furcsa konfigurációját, amely ultrahosszú kémiai kötéssel rendelkezik – 134 nanokelvinen, azaz mindössze 134 milliárdod fokkal az abszolút nulla fok felett hozták létre.

Betekintés a kvantumvilágba

Az ultrahideg rendszerek kulcsfontosságúak a kvantumviselkedés megértéséhez, mivel alacsony hőmérsékleten a kvantummechanika, a szubatomi részecskékre vonatkozó szabályok dominálnak.

Ezek a beállítások lehetővé teszik a tudósok számára azt is, hogy pontosan szabályozzák a részecskék energiáját, hogy kvantumszimulációkat hozzanak létre, amelyek más, általunk nem teljesen értett fizikájú kvantumrendszereket modelleznek.

Például az ultrahideg molekulák rendszerének kvantumviselkedésének tanulmányozása egy napon segíthet a tudósoknak azonosítani a magas hőmérsékletű szupravezetőkhöz szükséges anyagtulajdonságokat is.

A probléma az, hogy van egy velejáró kompromisszum

Egy túl egyszerű ultrahideg rendszer nem biztos, hogy az érdekes kvantumrendszerek viselkedésének teljes skáláját megragadja. De ha még bonyolultabbá tesszük, akkor a hatékony kísérlet megtervezése még bonyolultabbá válik.

„Általában az emberek atomokat vagy ionokat használnak, és ami ezeket valamelyest irányíthatóvá teszi, az az a tény, hogy viszonylag korlátozott számú kvantumállapottal rendelkeznek” – mondta Roman Bause, a hollandiai Groningeni Egyetem kvantumoptika-kutatója a Live Science-nek.

Követhetetlen számú kombináció

„Ha egy molekula összes kvantumállapotát lerajzolom, az egy elég vastag könyvet fog megtölteni. Vagy egymilliónál több állapotról van szó.”

Mindezek a további kvantumállapotok még több érdekes kvantumkérdést nyitnak meg, de egyben megnehezítik a részecskék hűtését is.

E probléma megoldására az új tanulmányban Tao Shi, a Kínai Tudományos Akadémia fizikusa és nemzetközi munkatársai többlépcsős hűtési eljárást alkalmaztak

Lézeres hűtéssel láttak hozzá a rekordmolekulák létrehozásához

Ez a hűtési módszer minden irányból a mozgó atomra kilőtt lézersugarakat használ. Az atom elnyeli a fényt, és gerjesztett kvantumállapotba kerül, majd azonnal energiát ad le, hogy visszatérjen alapállapotába.

Mivel azonban az atom a lézersugarakhoz viszonyulva mozog (ez az úgynevezett Doppler-effektus), az atom egy kicsit több energiát szabadít fel, mint amennyit elnyelt, és ezzel lehűti magát.

„Az a probléma, amikor ezt a technikát molekulák esetében használjuk, hogy nem csak egy alapállapot létezik. Potenciálisan több ezer lézersugárra lenne szükség, és ez túl nagy technikai erőfeszítés” – mondta Bause.

Kvantumlego

Az ultrahideg atomok azonban kiváló kiindulópontot jelentenek az ultrahideg molekulák felépítéséhez. Ultrahideg nátrium (Na) és kálium (K) atomok keverékét használva Shi csapata gyengén társította ezeket az egyes részecskéket kétatomos NaK molekulákká.

Itt kezdődtek igazán a technikai nehézségek. „A hideg atomok társításával az a probléma, hogy közben felmelegítjük őket, így aztán egy másik hűtési technikára, a párologtató hűtésre van szükség” – mondta Bause.

Olyan okokból, amelyeket senki sem ért egészen, ilyen hűtési körülmények között a molekulák összetapadnak, és a kísérletező már nem tudja őket pontosan irányítani. Ez a különleges kihívás már évek óta megakasztja a kutatókat az egész területen.

Mikrohullámokkal hidalták át a nehézségeket

Shi csapata azonban a pontosan szabályozott mikrohullámok beragyogásával megoldotta az összecsomósodás problémáját a 134 nanokelvinre lehűtött kétatomos NaK-molekulák esetében.

A mikrohullámok egyedülálló előnyt jelentettek akkor is, amikor a két NaK-molekula gyenge asszociációjára és egy négyatomos (NaK)₂ molekula kialakítására késztették őket. „Ha a mikrohullámokat pontosan megfelelően alakítjuk, akkor egy olyan potenciált kapunk, amely nem csak rövid távolságokon taszító, hanem hosszabb távolságokon vonzó is” – mondta Bause.

Maratoni kötés

Így ennek az első ilyen négyatomos molekulának a központi kötése 1000-szer hosszabb, mint a nátrium- és káliumatomok közötti kötés, és több mint 3000-szer hidegebb hőmérsékleten jött létre, mint bármely korábbi négyatomos molekula.

Az új leletek azért izgalmasak, mert „végső soron olyan érdekes helyekre vezetnek el minket, amiket jelenleg nem tudjuk elméletben kezelni – például a magas hőmérsékletű szupravezetőkhöz és a jobb lítium-akkumulátorok anyagaihoz” – mondta Bause.

Ez is érdekelhet:

• Rejtélyes részecskék után kutatnak, amelyek megfejthetik az univerzum titkait
• Gyémántot préseltek össze a kutatók, hogy egy még erősebb anyagot kapjanak