Highly elastic collisions of ultracold asymmetric top molecules in a static electric field

In de koudste uithoeken van het universum, waar temperaturen zo laag dalen dat atomen en moleculen bewegen met een traag, dromerig gemak, ontstaat een vreemde nieuwe wereld van de fysica. Hier maakt de chaotische brij van warmte die onze dagelijkse ervaring definieert plaats voor een toestand waarin deeltjes zich meer gedragen als golven dan als kleine biljartballen. Wetenschappers proberen al lang deze "ultrakoude" monsters van complexe moleculen te creëren, niet alleen om de moleculen zelf te bestuderen, maar ook om ze te gebruiken als bouwstenen voor kwantumcomputers en om de fundamentele wetten van de natuur te testen. De uitdaging is altijd geweest dat terwijl eenvoudige moleculen kunnen worden afgekoeld, complexe moleculen de neiging hebben om aan elkaar te plakken of chemisch te reageren op het moment dat ze dicht bij elkaar komen, waardoor het delicate monster wordt vernietigd voordat het bestudeerd kan worden. Om dit op te lossen, hebben onderzoekers een manier nodig om deze moleculen schoon tegen elkaar te laten stuiteren, zoals rubberen ballen, in plaats van dat ze botsen en verbrijzelen. Dit vereist een delicaat evenwicht: de moleculen moeten sterk genoeg met elkaar interageren om in een kalme, geordende toestand te komen, maar niet zo sterk dat ze botsen en verdwijnen.

Een onderzoeker heeft nu een methode voorgesteld om dit evenwicht te bereiken met behulp van een specifiek type molecuul genaamd calciumamide, of CaNH2. In tegen tegenstelling tot eenvoudige moleculen die lijken op dumbbells, heeft dit molecuul een vorm die meer lijkt op een scheve piramide, een structuur die in de fysica bekend staat als een "asymmetrische top". Deze ongewone vorm geeft het molecuul een unieke interne eigenschap: twee toestanden die bijna identiek zijn in energie maar tegengestelde eigenschappen hebben, vergelijkbaar met een munt die op kop of munt kan landen. In afwezigheid van externe invloed zijn deze twee toestanden zo dicht bij elkaar dat ze van nature mengen. De onderzoeker ontdekte dat door een constant elektrisch veld toe te passen, zij deze moleculen in een toestand konden duwen waarin ze zeer gevoelig worden voor elkaar. Deze gevoeligheid creëert een lange-afstands kracht die de moleculen voorzichtig naar elkaar toe trekt, waardoor ze kunnen botsen en energie kunnen uitwisselen zonder vast te komen te zitten of chemisch te reageren.

De kern van de ontdekking ligt in hoe deze moleculen zich gedragen wanneer ze in een specifieke aangeslagen toestand worden voorbereid en worden blootgesteld aan een elektrisch veld. De onderzoeker berekende dat wanneer het veld wordt toegepast, de moleculen een sterk elektrisch dipool ontwikkelen, wat betekent dat één uiteinde iets positiever wordt en de andere iets negatiever. Dit verandert de moleculen in kleine magneten die elkaar van een afstand kunnen voelen. Cruciaal is dat de unieke vorm van het calciumamide-molecuul een onzichtbare barrière creëert die voorkomt dat de moleculen te dicht bij elkaar komen. Zelfs wanneer het elektrische veld hen naar elkaar toe trekt, stoten ze elkaar af vlak voordat ze elkaar zouden raken, wat hen effectief beschermt tegen de chemische reacties die normaal gesproken ultracoude monsters vernietigen. Het resultaat is een scenario waarin de moleculen elastisch botsen en met hoge efficiëntie tegen elkaar aan stuiteren, terwijl de destructieve, verlieslatende botsingen met een factor duizend of meer worden onderdrukt.

De studie onthulde ook dat als het elektrische veld verder wordt verhoogd, de zachte aantrekkingskracht tussen de moleculen sterk genoeg kan worden om ze samen te binden in paren. Dit zijn geen permanente chemische verbindingen, maar eerder zwakke, tijdelijke partnerschappen die door het elektrische veld zelf bij elkaar worden gehouden. De onderzoeker identificeerde dat deze paren, die uit in totaal acht atomen bestaan, een nieuw type gebonden toestand vormen die nog niet eerder bij dergelijke complexe moleculen was gezien. Deze bevinding is significant omdat het suggereert dat hetzelfde mechanisme gebruikt kan worden om nog complexere structuren te creëren, wat potentieel de deur opent naar het creëren van nieuwe vormen van materie waarbij moleculen op gecontroleerde wijze aan elkaar gekoppeld zijn.

Misschien wel de meest praktische uitkomst van dit werk is het potentieel voor evaporatieve koeling. In de wereld van de ultrakoude fysica is dit de standaardtechniek die wordt gebruikt om een gas naar zijn laagst mogelijke energietoestand te koelen, een punt dat bekend staat als kwantumdegeneratie. Hiervoor moeten de deeltjes in het gas frequent botsen en tegen elkaar aan stuiteren zonder energie te verliezen aan de omgeving. De onderzoeker toonde aan dat voor calciumamide de verhouding tussen deze nuttige botsingen en destructieve crashes hoog genoeg is om evaporatieve koeling mogelijk te maken. Dit betekent dat wetenschappers een monster van deze moleculen, dat al door lasers is afgekoeld, kunnen nemen en botsingen kunnen gebruiken om ze nog verder af te koelen, waardoor temperaturen worden bereikt waar ze zich als één enkel kwantumobject gedragen.

De onderzoeker keek niet alleen naar calciumamide; hij paste zijn berekeningen ook toe op een vergelijkbaar molecuul met strontium, genaamd SrNH2, en vond hetzelfde gunstige gedrag. Dit suggereert dat de methode geen toevalstreffer is die specifiek is voor één molecuul, maar een algemene eigenschap van een hele klasse moleculen gemaakt van aardalkalimetalen en amidegroepen. De studie steunt op gedetailleerde computersimulaties om in kaart te brengen hoe deze moleculen interageren, in plaats van op fysieke experimenten, maar de berekeningen zijn rigoureus en houden rekening met de complexe kwantummechanica die erbij betrokken is. De resultaten wijzen erop dat met elektrische velden van minder dan één kilovolt per centimeter — een relatief bescheiden hoeveelheid in de wereld van de fysica — wetenschappers stabiele, ultrakoude gassen van deze complexe moleculen kunnen creëren.

Dit werk biedt een duidelijke routekaart voor de volgende stap in het vakgebied van de ultrakoude chemie. Door aan te tonen dat deze asymmetrische moleculen gestabiliseerd kunnen worden tegen verlies terwijl ze toch zeer interactief blijven, heeft de onderzoeker een belangrijke hindernis weggenomen die voorheen de creatie van kwantumdegeneratieve gassen van polyatomische moleculen verhinderde. Als deze voorspellingen in het laboratorium standhouden, zou het wetenschappers in staat stellen om ensembles van moleculen te creëren met extreem lage entropie, oftewel wanorde. Dergelijke monsters zouden ideaal zijn voor het simuleren van complexe materialen, het uitvoeren van precisie-metingen om op zoek te gaan naar nieuwe fysica buiten ons huidige begrip, en het verkennen van chemische reacties op kwantumniveau. De weg van een chaotisch gas van moleculen naar een perfect geordende kwantumvloeistof, die voor dergelijke complexe vormen ooit onmogelijk werd geacht, lijkt nu binnen bereik.