Τα άτομα βρίσκουν κβαντική παρηγοριά στη βαθιά ψύξη του διαστήματος

Το διάστημα είναι ψυχρό, πολύ ψυχρό. Αυτό θα έπρεπε να σημαίνει ότι θα συνέβαιναν πολύ λίγα πράγματα, και όμως υπάρχουν αστέρια, πλανήτες και άνθρωποι. Τώρα ένα υπέρψυχρο πείραμα θα μπορούσε να εξηγήσει πώς ξεκίνησαν οι χημικές αντιδράσεις στο βαθύ παγωμένο σχεδόν κενό του διαστρικού διαστήματος.

 Πώς ξεκίνησε το Νεφέλωμα της Τρόπιδας; (Nebula Carina). Οι κβαντικές παραδοξότητες θα μπορούσαν να βοηθήσουν στην εξήγηση του πώς ξεκίνησαν οι χημικές αντιδράσεις

Φαίνεται ότι τα άτομα αντί να μένουν μόνα τους, είναι ευκολότερο για αυτά να έρθουν κοντά ακόμα και σε θερμοκρασίες κοντά στο απόλυτο μηδέν. Ο λόγος θα μπορούσε να είναι οι παραξενιές της κβαντικής φυσικής, η οποία αναγκάζει τα σωματίδια να συμπεριφέρονται σαν κύματα και να υπάρχουν σε μυριάδες καταστάσεις ταυτόχρονα.

Τα σχολικά βιβλία δείχνουν τους πυρήνες να περιβάλλονται από ηλεκτρόνια σε διαφορετικά επίπεδα ενέργειας, ή σε κοχύλια. Επίσης, ότι τα άτομα σχηματίζουν δεσμούς με την ανταλλαγή ή την αμοιβαία συνεισφορά ηλεκτρονίων, έτσι ώστε να συμπληρώσουν την εξωτερική στοιβάδα τους. Έτσι, τα άτομα των οποίων η εξωτερική στιβάδα είναι πλήρης, αναμένεται να είναι αρκετά ‘ικανοποιημένα’ και αντιστέκονται στις μεταβολές. Αντίθετα, οι λεγόμενες ρίζες έχουν ένα μοναδικό ηλεκτρόνιο χωρίς ταίρι και ανυπομονούν να το δώσουν ή να κλέψουν ένα άλλο ηλεκτρόνιο για να το κάνουν ζευγάρι.

Ωστόσο, αυτή η απλή εικόνα δεν είχε ποτέ δοκιμαστεί σε ένα περιβάλλον ελάχιστα πιο πάνω από τους μηδέν βαθμούς Κέλβιν. Τώρα ο Wade Rellergert στο Πανεπιστήμιο του Λος Άντζελες, και οι συνεργάτες του διαπίστωσαν ότι το ασβέστιο, το οποίο έχει ένα ζευγάρι ηλεκτρονίων στην εξωτερική του στοιβάδα, είναι πιο ενεργητικό σε χαμηλές θερμοκρασίες από ό,τι η ρίζα του ρουβιδίου. "Η ταχύτητα της αντίδρασης μπορεί να αυξηθεί όταν το περιβάλλον είναι πολύ ψυχρό", λέει το μέλος της ομάδας Scott Sullivan, επίσης, στο UCLA.

Το πείραμα αποτελεί μέρος ενός αναδυόμενου τομέα στον οποίο οι φυσικοί προσπαθούν να ψύξουν τα σωματίδια μέχρι να κατέχουν το μικρότερο ποσό της ενέργειας που επιτρέπεται από την κβαντική μηχανική. Τέτοια υπέρψυχρα σωματίδια μπορεί να είναι χρήσιμα για μια σειρά από εφαρμογές.

Η ομάδα επέλεξε το ασβέστιο, επειδή ανέμεναν ότι δεν θα αλληλεπιδρούσε πολύ με τον πραγματικό στόχο της μελέτης τους, τα ιόντα του υττέρβιου, ένα μαλακό, ασημί μεταλλικό στοιχείο με ένα ηλεκτρόνιο στην εξωτερική στοιβάδα του. Σε θερμοκρασία δωματίου, τα δύο στοιχεία αναμένεται είτε να μείνουν μόνα τους ή το ιόν του υττερβίου να κλέψει ένα ηλεκτρόνιο από το άτομο του ασβεστίου. Ήλπιζαν έτσι πως τα ιόντα του υττερβίου απλώς θα συγκρούονταν με τα γύρω άτομα ασβεστίου, τα οποία είχαν ψυχθεί στους 0,004 Κ, χάνοντας ενέργεια και ψυχόμενα.

Όταν οι επιστήμονες έβαλαν και τα δύο μαζί σε ένα θάλαμο κενού, «είδαμε το υττέρβιο να αρχίζει να εξαφανίζεται», λέει ο Sullivan. Αυτό δείχνει ότι το ασβέστιο ζευγάρωσε με τα άτομα του υττερβίου, αναφέρει η ομάδα στη μελέτη της στο Physical Review Letters.

“Κανονικά δεν έπρεπε να αντιδράσουν αλλά στην πραγματικότητα αντέδρασαν σε ένα πολύ δύσκολο περιβάλλον", λέει το μέλος της ομάδας Eric Hudson του UCLA. "Αποδείχθηκε έτσι ότι αυτό το άτομο με το συμπληρωμένο φλοιό αντέδρασε 10.000 φορές πιο γρήγορα από το ομόλογό του που δεν ήταν συμπληρωμένη η στιβάδα του”, λέει ο ίδιος, αναφερόμενος σε ένα παρόμοιο πείραμα που έγινε πέρυσι με ιόντα υττερβίου και ρουβίδιο, ένα μέταλλο με ένα μοναχικό εξωτερικό ηλεκτρόνιο.

Για να καταλάβουν γιατί το ασβέστιο ήταν τόσο ενεργό, ο Hudson στράφηκε προς τους θεωρητικούς φυσικούς Svetlana Kotochigova και Alexander Petrov στο Πανεπιστήμιο Temple στη Φιλαδέλφεια. Το δίδυμο αυτό ειδικεύεται στο να προβλέπει κατά πόσο τα άτομα θα αλληλεπιδράσουν λύνοντας την εξίσωση του Schrödinger, η οποία περιγράφει πώς ένα κβαντικό σύστημα αλλάζει με το χρόνο.

Οι υπολογισμοί τους αποκάλυψαν μια κβαντική εξήγηση γιατί το ασβέστιο μπορεί να είναι εξαιρετικά ενεργό σε ψυχρές θερμοκρασίες. Τα άτομα είναι αλήθεια ότι κινούνται πιο γρήγορα σε υψηλότερες θερμοκρασίες. Σε θερμοκρασία δωματίου, τα άτομα του ασβεστίου κινούνται τόσο γρήγορα ώστε ένα ηλεκτρόνιο μπορεί να μεταβεί σε ένα ιόν υττερβίου πολύ περιστασιακά, όταν έρχονται κοντά το ένα με το άλλο.

Όμως στις υπέρψυχρες θερμοκρασίες, τα σωματίδια είναι πιο ‘υποτονικά’, επιτρέποντας έτσι στο ηλεκτρόνιο να έχει το ένα του πόδι στο δικό άτομο ασβεστίου και το άλλο στο ιόν του υττερβίου. Όπως τα κβαντικά αντικείμενα, έτσι και τα σωματίδια συμπεριφέρονται σαν κύματα, και παραμένουν κοντά το ένα στο άλλο αρκετό καιρό που τα μήκη κύματος τους να αλληλοκαλύπτονται. Αυτό είναι ουσιαστικά ισοδύναμο με να αποτελούν ένα ενιαίο μόριο σε μια διεγερμένη ή λιγότερο σταθερή ενεργειακή κατάσταση. Εάν τα ημι-συζευγμένα σωματίδια τότε εκπέμψουν ένα φωτόνιο, μπορούν να βρεθούν σε μια χαμηλότερη ενεργειακή κατάσταση με μια διαδικασία, που είναι πολύ πιο πιθανή σε χαμηλή θερμοκρασία,” λέει ο Hudson. “Γι αυτό βλέπουμε το τεράστιο αυτό ποσοστό αντίδρασης."

Το αποτέλεσμα αυτό είναι συναρπαστικό για τους αστροχημικούς, όπως ο Jean Turner, επίσης του UCLA. "Ο τύπος αυτής της ένωσης (με την εκπομπή ακτινοβολίας) είναι ένα βασικό σημείο εκκίνησης της διαστρικής χημείας”, υποστηρίζει.

Με μία μέση θερμοκρασία μόλις 3 βαθμούς πάνω από το απόλυτο μηδέν, το διάστημα είναι επίσης σχεδόν άδειο – ένα κυβικό εκατοστό μπορεί να έχει συνολικά ένα εκατομμύριο σωματίδια, που θα μπορούσε να θεωρηθεί σαν ένα άριστο κενό στη Γη. Υπό αυτές τις ακραίες συνθήκες, τα άτομα ανταποκρίνονται αργά και σπάνια.

Ωστόσο το διάστημα περιέχει αμέτρητα σύνθετα μόρια, από απλά σάκχαρα συνδεδεμένα με δακτυλίους ατόμων άνθρακα, γνωστά ως πολυκυκλικοί αρωματικοί υδρογονάνθρακες. "Βλέπουμε τη χημεία εκεί έξω, έτσι ξέρουμε ότι πρέπει να συμβαίνει," λέει ο Turner.

Αλλά πώς έχει ξεκινήσει αυτή η χημεία;

Η διαπίστωση ότι άτομα με συμπληρωμένη την εξωτερική στιβάδα μπορούν να αντιδράσουν γρηγορότερα από το αναμενόμενο θα μπορούσε να δώσει μια ένδειξη. Το ασβέστιο και το υττέρβιο είναι σπάνια στο διαστρικό διάστημα, αλλά παρόμοιες διαδικασίες μπορεί να ισχύουν και στον άνθρακα – η ραχοκοκαλιά της ζωής όπως την ξέρουμε – ο οποίος έχει δύο ζευγάρια ηλεκτρονίων στην εξωτερική του στοιβάδα.

Ο φυσικός Christoph Zipkes του Πανεπιστημίου του Cambridge, λέει ότι είναι πολύ νωρίς για να προβεί σε τέτοια συμπεράσματα. Όμως ο αστροχημικός Marc Morris του UCLA λέει ότι το αποτέλεσμα είναι ένα βασικό βήμα προς τα εμπρός. "Το διαστρικό μέσο είναι γεμάτο από ενδιαφέροντα οργανικά μόρια," λέει ο Morris. “Δεν γνωρίζουμε πολύ καλά πως σχηματίζονται με κάθε λεπτομέρεια. Εάν ο σχηματισμός τους μπορεί να επικουρείται από αντιδράσεις ανταλλαγής φορτίων, θα ήταν εξαιρετικά ενδιαφέρουσα ιδέα."

Τα υπέρψυχρα μόρια είναι εξαιρετικά χρήσιμα

Η πρακτική της υπέρψυξης ατόμων έχει μπει στα ατομικά ρολόγια και ακόμη και σε μια νέα μορφή της ύλης στην οποία πολλά άτομα συμπεριφέρονται ως ένα ενιαίο σουπερ-άτομο.

Τα μόρια μπορούν να περιστρέφονται και να παλινδρομούν σε περισσότερες κατευθύνσεις από ότι τα άτομα, έτσι είναι πιο δύσκολο να ψυχθούν. «Υπάρχουν πολλά πράγματα που μπορείτε να κάνετε με τα μόρια που δεν μπορείτε με τα άτομα», υποστηρίζει ο Brian Odom του Πανεπιστημίου Northwestern στο Ιλινόις.

Τα μόρια θα μπορούσαν να μας βοηθήσουν στον να αποκαλυφθεί αν οι θεμελιώδεις φυσικές σταθερές πράγματι αλλάζουν. Για παράδειγμα, η αναλογία μάζας μεταξύ των ηλεκτρονίων και πρωτονίων, που ονομάζεται mu, έχει κατηγορηθεί ότι μεταβάλλεται, μια πιθανότητα που μπορεί να συγχύσει τους φυσικούς. Οι μοριακές δονήσεις και οι περιστροφές εξαρτώνται από το λόγο με άμεσο τρόπο, που καθιστά τα μόρια το ιδανικό εργαστήριο για τις δοκιμές, λέει ο Odom.

Μοριακά ιόντα, ακριβώς με τις σωστές ιδιότητες και τον αριθμό των κβαντικών καταστάσεων θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για την εκτέλεση υπολογισμών σε υπερε-αποδοτικούς κβαντικούς υπολογιστών, που εκμεταλλεύονται το γεγονός ότι τα εν λόγω "qubits" υπάρχουν σε πολλές καταστάσεις αυτόχρονα. Οι φυσικοί θέλουν να βρουν μόρια με «αρκετές καταστάσεις για να κωδικοποιήσουν όλες τις πληροφορίες που θα θέλατε, αλλά όχι τόσες πολλές ώστε να είναι δύσκολο να ελεγχθεί το μόριο", λέει ο Andrew Grier στο εργαστήριο Kastler Brossel στο Παρίσι.

Μια μέρα, τα κατεψυγμένα μόρια θα μπορούσαν ακόμα και να επιτρέψουν ώστε οι αντιδράσεις τους να ελέγχονται μέχρι το σημείο όπου αυτές θα μπορούσαν να σχηματίσουν ενώσεις που δεν βρίσκονται στη φύση. "Ίσως οι τεχνικές αυτές θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για να φτιάξουμε νέα φάρμακα ή υλικά”, υποστηρίζει ο Eric Hudson του Πανεπιστημίου στο Λος Άντζελες.