Sciencemag.cz
Doporučujeme
Kvantová molekulární syntéza může vyprodukovat pouze několik tisíc molekul najednou, ná však mnoho zajímavých aplikací.
Výzkumníci z University of Innsbruck vyrobili první ultrachladné molekuly KCs na světě v jejich absolutním základním stavu. Nejprve smíchali mraky atomů draslíku a cesia ochlazené téměř na absolutní nulu a poté pomocí kombinace magnetických polí a laserových paprsků spojili páry volně se pohybujících atomů do chemicky stabilních molekul. Jak toho vůbec docílit, když podobně nízké teploty chemické reakce prakticky zcela zastavují? Molekuly v tomto případě nevznikají „chemicky“, ale „fyzikálně“, tj. nikoliv interakcí částic v náhodných okamžicích.
V posledních 20 letech bylo v plynných směsích při teplotách blízkých absolutní nule vytvořeno několik různých typů molekul pomocí metod, které zúžily přesný čas příslušné reakce na několik mikrosekund. Až donedávna ale molekuly KCs představovaly v tabulce možných kombinací prvků, které již byly tímto způsobem přeměněny na molekuly, mezeru (poznámka PH: laicky, tak ono proč by takové molekuly měly vůbec existovat, respektive proč by 2 libovolné prvky mělo jít propojit, že…).
Aby bylo možné sestavit molekuly dostatečně kontrolovaným způsobem, je třeba začít se směsí ultrachladných atomových plynů. I když se příprava takových plynů s jedním prvkem již víceméně stala standardní experimentální technikou, chlazení dvou prvků současně je jiná věc. „Draslík a cesium byly přitom poslední alkalické kovy, které se podařilo samostatně ochladit na teplotu Bose-Einsteinovy kondenzace,“ říká spoluautor nové studie Charly Beulenkamp. „To ukazuje, jak obtížné je ochlazování těchto prvků řídit. Jejich současné ochlazení pak znamená výzvu na zcela jiné úrovni.“
Prvním krokem při sestavování ultrachladných molekul je tzv. magnetoasociace, kdy se sousední atomy různých prvků přemění na vázané páry pomocí externího magnetického pole. Tyto páry jsou ale zatím vázány pouze velmi slabě a mohou se snadno rozpadnout. Aby byly tyto molekuly chemicky stabilní, musí se převést do absolutního základního stavu: stavu s nejnižší energií ze všech možných stavů dané molekuly.
Přechody mezi různými vnitřními stavy atomů nebo molekul lze obvykle provádět pomocí laserového světla naladěného na příslušnou frekvenci, ale v tomto případě je přímý přechod zakázán. Přeměna tudíž vyžaduje použití třetího, přechodného stavu jako otočného bodu (pivoting point). „Magneticky asociované páry a molekuly v základním stavu jsou velmi odlišné entity,“ vysvětluje Krzysztof Zamarski, druhý hlavní autor této práce, „a přeměnit jednu na druhou je jako skákat o tyči přes kaňon. Aby to bylo možné, je třeba najít opěrný bod pro tyč. Nalezení takového bodu je hlavním problémem, který je třeba vyřešit na cestě k výrobě ultrachladných molekul.“
Kvantová molekulární syntéza může vyprodukovat pouze několik tisíc molekul najednou, takže je nepravděpodobné, že by v dohledné době nahradila konvenční chemii. Má však mnoho zajímavých aplikací. Jednou z největších otázek moderní fyziky je, proč některé materiály vykazují určité exotické vlastnosti, jako je supravodivost. Tyto jevy je obtížné popsat teoreticky, protože se jich účastní velké množství částic, ale je také náročné je studovat experimentálně – kvůli malým délkovým měřítkům, na nichž probíhají, a také kvůli nedokonalostem (kazům) v reálných materiálech.
Zde vstupují na scénu ultrachladné plyny, zejména molekulární. Díky svému velkému elektrickému dipólovému momentu molekuly složené ze dvou různých prvků vzájemně interagují na velké vzdálenosti, čímž napodobují elektrony v pevných látkách. Zároveň jejich nízká teplota umožňuje jejich zachycení laserovým světlem a další manipulaci pomocí různých technik. Zachycení molekul v geometrii, která připomíná skutečné krystaly, nám tak dává příležitost přímo pozorovat kvantovou dynamiku řídící exotické materiály.
Krzysztof P. Zamarski et al, Spectroscopy and Ground-State Transfer of Ultracold Bosonic 39K133Cs MoleculesPhysical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/gjzh-8dsb
Zdroj: University of Innsbruck / Phys.org, přeloženo / zkráceno
Poznámka PH: Souvislost s v textu zmíněnou Bose-Einsteinovou kondenzací je vlastně jaká?
