Hanns-Christoph Nägerl’in grubundan araştırmacılar, dünyanın ilk ultra soğuk KC moleküllerini mutlak temel hallerinde ürettiler. Neredeyse mutlak sıfır sıcaklığa soğutulmuş potasyum ve sezyum atomlarından oluşan bulutları karıştırarak işe başlayarak, serbestçe hareket eden atom çiftlerini kimyasal olarak kararlı moleküller halinde ilişkilendirmek için manyetik alanların ve lazer ışınlarının bir kombinasyonunu kullanabildiler.
Çalışma dergide yayınlandı Fiziksel İnceleme Mektupları.
Moleküller yalnızca her zaman öngörülemeyen, rastgele zamanlarda meydana gelen kimyasal reaksiyonlarla üretilebilir. Daha yüksek sıcaklıklar reaksiyonları hızlandırır ve yeterince düşük sıcaklıklar reaksiyonların gerçekleşmesini tamamen durdurabilir. Kimya fizikçiler tarafından yürütülüyorsa bu ifadeler geçerli değildir.
Son 20 yılda, moleküllerin oluşma süresini birkaç mikrosaniyeye kadar daraltan yöntemler kullanılarak, mutlak sıfıra yakın sıcaklıklarda gaz karışımlarında birkaç farklı türde molekül üretildi.
Yakın zamana kadar KC’ler, bu şekilde moleküllere dönüştürülmüş olası element kombinasyonları tablosunda açık bir delik olarak kalıyordu.
Karıştırma zordur
Molekülleri yeterince kontrollü bir şekilde bir araya getirmek için, ultra soğuk atomik gazların bir karışımıyla başlamak gerekir. Bu tür gazları tek bir elementle hazırlamak dünya çapında standart bir deney tekniği haline gelmiş olsa da, iki elementi aynı anda soğutmak farklı bir hikaye.
“Potasyum ve sezyum kendi başlarına Bose-Einstein yoğunlaşmasına kadar soğutulan son alkali elementlerdi.” Bu çalışmanın baş yazarlarından biri olan Charly Beulenkamp şöyle diyor: “bu da kontrol edilmesinin ne kadar zor olduğunu gösteriyor. Bunları aynı anda soğutmak tamamen farklı düzeyde bir zorluktur.”
Neyse ki Innsbruck ekibinin ısrarı sayesinde bu zorluğun üstesinden gelindi.
Kuantum inanç sıçraması
Ultra soğuk molekülleri bir araya getirmenin ilk adımı, farklı elementlerin yakındaki atomlarının, dış manyetik alanın bir rezonans noktası boyunca süpürülmesiyle bağlı çiftlere dönüştürüldüğü manyeto-birleşme olarak adlandırılır. Bu tür çiftler yalnızca çok zayıf bir şekilde bağlanmıştır ve kolayca parçalanabilir; atomların şu anda birleştiği ancak henüz evlenmediği söylenebilir.
Bu molekülleri kimyasal olarak kararlı hale getirmek için mutlak temel durum olarak bilinen duruma, yani belirli bir molekülün tüm olası durumları arasında en düşük enerjiye sahip duruma aktarılmaları gerekir.
Atomların veya moleküllerin farklı iç durumları arasındaki transferler genellikle uygun bir frekansa ayarlanmış lazer ışığı kullanılarak gerçekleştirilebilir, ancak bu durumda doğrudan geçiş yasaktır ve dönme noktası olarak üçüncü bir ara durumun kullanılmasını gerektirir.
“Manyeto-ilişkili çiftler ve temel durum molekülleri çok farklı varlıklardır.” Bu çalışmanın diğer baş yazarı Krzysztof Zamarski şöyle açıklıyor: “ve birini diğerine dönüştürmek kanyonda sırıkla atlama yapmaya benziyor. Bunu yapabilmek için, karanlıkta zorlukla görülebilen küçük bir kaya olması gereken direk için bir destek noktası bulmamız gerekiyor. Böyle bir noktanın bulunması, ultra soğuk moleküllerin üretilmesi yolunda çözülmesi gereken temel sorundur.”
Malzemelerin incelenmesi için oyuncak sistemi
Kuantum moleküler sentezi bir seferde yalnızca birkaç bin molekül üretebilir, dolayısıyla yakın zamanda geleneksel kimyanın yerini alması pek olası değildir. Ancak başka birçok heyecan verici uygulaması da var. Modern fiziğin en büyük sorularından biri, bazı malzemelerin neden süperiletkenlik gibi bazı egzotik özellikler gösterdiğidir.
Bu olguları teorik olarak açıklamak zordur, çünkü çok sayıda parçacık söz konusudur, ancak aynı zamanda meydana geldikleri küçük uzunluk ölçekleri ve gerçek malzemelerin kusurlarından dolayı bunları deneysel olarak incelemek de zordur. Ultra soğuk gazların, özellikle de molekül gazlarının sahneye girdiği yer burasıdır.
Büyük elektrik dipol momentleri sayesinde, iki farklı elementten oluşan moleküller, katı hal sistemlerindeki elektronları taklit ederek uzun mesafeler boyunca birbirleriyle etkileşime girer. Aynı zamanda düşük sıcaklıkları, onları lazer ışığıyla yakalamayı ve çeşitli teknikler kullanarak daha fazla manipüle etmeyi mümkün kılıyor.
“Molekülleri gerçek kristallere benzeyen bir geometride yakalamak bize egzotik malzemeleri yöneten kuantum dinamiklerini doğrudan gözlemleme fırsatı veriyor.” Innsbruck Üniversitesi Deneysel Fizik Bölümü’nden Hanns-Christoph Nägerl şöyle diyor: “deneysel kuantum simülasyonlarının arkasındaki fikir budur.”
