ΝΕΟΙ ΟΡΙΖΟΝΤΕΣ ΣΤΗΝ ΚΑΤΑΝΟΗΣΗ ΤΗΣ ΚΒΑΝΤΙΚΗΣ ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ.
Είναι η θερμοκρασία που τα άτομα δεν έχουν καθόλου ενέργεια και μένουν ακίνητα.
Επιστήμονες στη Γερμανία δημιούργησαν τις ψυχρότερες συνθήκες που έχουν καταγραφεί ποτέ. Το απόλυτο μηδέν είναι η ελάχιστη θερμοκρασία που μπορεί θεωρητικά να επιτευχθεί στο Σύμπαν.
Στη θερμοκρασία αυτή η εντροπία φθάνει στην ελάχιστη τιμή της. Όπως ορίζεται από τους νόμους της θερμοδυναμικής, το απόλυτο μηδέν δεν μπορεί να επιτευχθεί (ακριβώς) με τεχνητά ή φυσικά μέσα, αφού κάτι τέτοιο απαιτεί ένα σύστημα πλήρως απομονωμένο από το υπόλοιπο σύμπαν. Με διεθνή συμφωνία, το απόλυτο μηδέν ορίστηκε στους −273,15 βαθμούς Κελσίου.
Είναι η θερμοκρασία που τα άτομα δεν έχουν καθόλου ενέργεια και μένουν ακίνητα. Επιστήμονες του Πανεπιστημίου της Βρέμης ερευνώντας τις κυματικές ιδιότητες των ατόμων παρήγαγαν για λίγα δευτερόλεπτα ένα από τα ψυχρότερα σημεία του Σύμπαντος. Ανέπτυξαν μια μέθοδο με την οποία η θερμοκρασία σε ένα νέφος ατόμων μειώθηκε σε τέτοιο ποσοστό που ουσιαστικά τα άτομα ακινητοποιήθηκαν.
Αν και δεν υπάρχουν θερμόμετρα ικανά να μετρήσουν αυτή τη θερμοκρασία ο υπολογισμός που έγινε μέσω της ακινησίας των ατόμων έδειξε για λίγα δευτερόλεπτα η θερμοκρασία στο νέφος ήταν μόλις 38 τρισεκατομμυριοστά του βαθμού πάνω από το απόλυτο μηδέν. Οι ερευνητές δημοσιεύουν το επίτευγμα τους στην επιθεώρηση «Physical Review Letters» και αναφέρουν ότι μπορεί να ανοίξει νέους ορίζοντες στην κατανόηση της κβαντικής μηχανικής καθώς όσο η θερμοκρασία μειώνεται τόσο πιο ασυνήθιστη και παράδοξη γίνεται η συμπεριφορά της ύλης.
Καναδοί και άλλοι επιστήμονες ανακοίνωσαν ότι κατάφεραν, για πρώτη φορά παγκοσμίως, να «χειραγωγήσουν» την αντιύλη με τη βοήθεια ενός ειδικά κατασκευασμένου λέιζερ, ώστε να την ψύξουν σε πολύ χαμηλή θερμοκρασία, κοντά στο απόλυτο μηδέν.
Οι ερευνητές της διεθνούς κοινοπραξίας ALPHA και του καναδικού Πανεπιστημίου της Βρετανικής Κολομβίας,
οι οποίοι έκαναν τη σχετική δημοσίευση στο περιοδικό «Nature», αισιοδοξούν ότι το επίτευγμά τους θα αποτελέσει ορόσημο στο πεδίο της έρευνας πάνω στην αντιύλη και θα ανοίξει τον δρόμο για μία νέα γενιά πιο προχωρημένων πειραμάτων. Στόχος είναι να πέσει περισσότερο φως σε σημαντικά ερωτήματα, όπως κατά πόσο η αντιύλη αντιδρά στη βαρύτητα ή γιατί το σύμπαν αποτελείται κυρίως από ύλη και όχι από ίσες ποσότητες ύλης/αντιύλης, όπως προβλέπουν τα θεωρητικά μοντέλα της «Μεγάλης Έκρηξης» (Μπιγκ Μπανγκ).
Γιατί είναι δύσκολη η χειραγώγηση της αντιύλης
Η αντιύλη είναι το «εξωτικό καθρέφτισμα» της ύλης, διαθέτοντας σχεδόν ταυτόσημα χαρακτηριστικά με την τελευταία, αλλά αντίθετο ηλεκτρικό φορτίο. Επειδή η αντιύλη εξαϋλώνεται όταν έρχεται σε επαφή με την ύλη, είναι τρομερά δύσκολο να δημιουργηθούν και να τεθούν υπό έλεγχο τα άτομα της αντιύλης, ενώ μέχρι σήμερα δεν είχε καταστεί εφικτό να «χειραγωγηθούν» μέσω λέιζερ.
Το 1995, για πρώτη φορά, 11 άτομα αντι-υδρογόνου είχαν παραχθεί σε έναν επιταχυντή του CERN και είχαν επιβιώσει για κλάσματα του δευτερολέπτου. Σήμερα, η ερευνητική κοινοπραξία ALPHA στο CERN μπορεί να παγιδεύσει 1.000 άτομα αντι-υδρογόνου για πολλές ώρες. Όμως, έως τώρα, μολονότι αυτά τα άτομα της αντιύλης κινούνται πολύ πιο αργά από ό,τι πριν 25 χρόνια, συνεχίζουν να κινούνται με τυχαίο τρόπο μέσα στη μαγνητική παγίδα τους με ταχύτητες έως 300 χιλιόμετρα την ώρα. Το νέο πείραμα επέτρεψε, για πρώτη φορά, με τη βοήθεια του λέιζερ, να «παγώσει» αυτή η κίνηση σε ταχύτητες κάτω των 50 χλμ/ώρα, οι οποίες αντιστοιχούν στην ψύξη των ατόμων.
Για πρώτη φορά τα λέιζερ εφαρμόστηκαν στην αντιύλη
Η εφαρμογή των λέιζερ, εδώ και περίπου 40 χρόνια, για τη μεταχείριση και την ψύξη των ατόμων της κανονικής ύλης, έχει φέρει μία επανάσταση στη Φυσική και έχει χαρίσει αρκετά Νόμπελ σε επιστήμονες. Είναι η πρώτη φορά που αυτές οι τεχνικές εφαρμόζονται πλέον και στην αντιύλη.
«Είμαστε ένα βήμα πιο κοντά στο να μπορέσουμε να δημιουργήσουμε τα πρώτα στον κόσμο μόρια αντιύλης, ενώνοντας αντι-άτομα (άτομα αντιύλης) με τη βοήθεια της τεχνολογίας λέιζερ», δήλωσαν οι ερευνητές. Στο νέο πείραμά τους, οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν ακτίνες υπεριώδους φωτός λέιζερ για να επιβραδύνουν δραστικά την κίνηση των ατόμων αντι-υδρογόνου, των απλούστερων ατόμων αντιύλης, που αποτελούνται από ένα αντι-πρωτόνιο και ένα αντι-ηλεκτρόνιο (ποζιτρόνιο).
Στα μελλοντικά πειράματά τους, οι ερευνητές θα επιδιώξουν να επιταχύνουν την όλη διαδικασία χρησιμοποιώντας ισχυρότερα λέιζερ και να αυξήσουν την ακρίβεια των μετρήσεών τους.
ΤΡΙΑΤΟΜΙΚΑ ΜΟΡΙΑ ΨΥΧΟΝΤΑΙ ΣΧΕΔΟΝ ΜΕΧΡΙ ΤΟ ΑΠΟΛΥΤΟ ΜΗΔΕΝ ΓΙΑ ΠΡΩΤΗ ΦΟΡΑ
Mία τεχνική ψύξης που μοιάζει με το μαρτύριο του Σισύφου. Τα μόρια SrOH ανεβαίνουν σε έναν λόφο δυναμικού και κατρακυλούν πάλι πίσω. Σαν το Σίσυφο που ήταν καταδικασμένος από τους θεούς να κουβαλάει ένα βράχο στην κορυφή ενός βουνού – η πέτρα όμως δεν σταθεροποιείτο και κυλούσε πάλι προς τα κάτω. Η απώλεια ενέργειας κατά την αναρρίχηση ψύχει τα μόρια σε εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες.
Ο Doyle και οι συνεργάτες του στο Κέντρο των MIT-Harvard για Υπερ-ψυχρά Άτομα, χρησιμοποιώντας μια τεχνική με λέιζερ κατάφεραν να ψύξουν τριατομικά μόρια μονο-υδροξειδίου του στροντίου (SrOH) στους 0,0007 βαθμούς Κέλβιν (∼750μΚ).
Οι φυσικοί χρησιμοποιούν λέιζερ για να ψύξουν απομονωμένα άτομα από την δεκαετία του 1970, αλλά η μέθοδος αυτή είναι πολύ πιο δύσκολο να εφαρμοστεί σε μόρια. Άλλωστε μια έκφραση που χρησιμοποιούν οι φυσικοί που ασχολούνται με τέτοιου είδους τεχνικές είναι ότι «ένα διατομικό μόριο είναι πάρα πολλά άτομα!» Η τεχνική των λέιζερ βασίζεται στον έλεγχο και στην διέγερση των ατόμων (ή των μορίων) που κατά την αποδιέγερσή τους εκπέμπουν φωτόνια γνωστής ενέργειας. Όσα περισσότερα άτομα περιέχει το μόριο, τόσο πιο περίπλοκες είναι οι δονήσεις και περιστροφές του μορίου κάνοντας δύσκολο τον έλεγχό του.
Στην ψύξη του Σισύφου τα μόρια αναγκάζονται να αναρριχηθούν σε έναν λόφο
δυναμικού που δημιουργεί ένα στάσιμο κύμα φωτός λέιζερ, και ξαναπέφτουν όταν αποδιεγερθούν σε μια μαγνητική κατάσταση που δεν αλληλεπιδρά με το λέιζερ. Ένα μικρό μαγνητικό πεδίο χρησιμοποιείται για να επαναφέρει τα μόρια πίσω στην αρχική τους κατάσταση, για να αναρριχηθούν πάλι στο λόφο δυναμικού και να συνεχίσουν να χάνουν κινητική ενέργεια. Με τον τρόπο αυτό τα μόρια ψύχονται ταχύτατα. Οι Doyle και συνεργάτες του παρατήρησαν ότι τα μόρια ψύχονται από 50 mK έως 750 μΚ σκεδάζοντας μόνο περίπου 200 φωτόνια σε 100 μs – κάτι που αντιστοιχεί σε επιτάχυνση (επιβράδυνση) που είναι σχεδόν 1000 φορές μεγαλύτερη από την επιτάχυνση λόγω βαρύτητας. Ο φυσικοί πιστεύουν ότι η τεχνική αυτή μπορεί να εφαρμοστεί σε μόρια με περίπου 15 άτομα.
Τόσο ψυχρά μόρια θα μπορούσαν να είναι η βάση μοριακών κβαντικών υπολογιστών. Το φως των λέιζερ μπορεί να χρησιμοποιηθεί όχι μόνο για την ψύξη των μορίων, αλλά και για την ακριβή επανάκτηση της κατάστασής τους. Αν οι φυσικοί μπορούν να ελέγξουν ποια μέρη του μορίου δονούνται, τότε μπορούν να χρησιμοποιήσουν αυτή την τεχνική για να αποθηκεύσουν πληροφορίες.
Επίσης, τα μόρια που ψύχονται κοντά στο απόλυτο μηδέν θα αντιδρούν πολύ αργά, και έτσι οι ερευνητές θα μπορούσαν να παρατηρήσουν τις χημικές αντιδράσεις με πολύ μεγαλύτερη λεπτομέρεια σε σχέση με σήμερα.
Πριν από δέκα χρόνια, η ιδέα ότι τα διατομικά μόρια θα μπορούσαν να ψύχονται με λέιζερ ακούγονταν σχεδόν σαν επιστημονική φαντασία. Ωστόσο, το 2014, το φθοριούχο στρόντιο (SrF) ψύχθηκε με λέιζερ και παγιδεύτηκε σε μια μαγνητο-οπτική παγίδα , ενώ στην τωρινή εργασία των Kozyryev et al [Sisyphus Laser Cooling of a Polyatomic Molecule], επετεύχθη ψύξη με λέιζερ ενός τριατομικού μορίου.
Η επιτυχημένη ψύξη με λέιζερ τριατομικών μορίων ανοίγει το δρόμο προς τη μελέτη των υπερψυχρών πολυατομικών μορίων.
Δεν υπάρχουν σχόλια :
Δημοσίευση σχολίου