A cryogenic apparatus with a rotatable substrate for matrix isolation spectroscopy of BaF in neon crystals down to 3.2 K

Om het werk dat hier wordt beschreven te begrijpen, moet men eerst een eenvoudig maar krachtig idee in de natuurkunde vatten: om de ware aard van een molecuul te zien, moet je het stoppen met bewegen. In de natuurlijke wereld zijn atomen en moleculen in constante, hectische beweging, botsend en draaiend met een zodanige snelheid dat hun interne signalen in elkaar overvloeien. Wetenschappers gebruiken een techniek genaamd matrixisolatie om dit op te lossen. Ze vangen een specifiek molecuul in een vaste blok van een onschadelijk, inert gas, zoals neon, en vriezen dat blok tot temperaturen kouder dan de diepe ruimte. In deze bevroren, rigide kooi wordt het molecuul perfect stilgehouden, waardoor onderzoekers het gedrag ervan met extreme precisie kunnen bestuderen. Deze methode is bijzonder waardevol voor het opsporen van een spookachtige eigenschap van het elektron, genaamd het elektrische dipoolmoment. Als deze eigenschap bestaat, zou het ons begrip van de fundamentele wetten van het universum doen schudden, maar het is zo klein dat het de meest stille, rustige omgeving vereist die mogelijk is om het te detecteren.

Een team van onderzoekers heeft nu een nieuwe machine gebouwd die specifiek is ontworpen om deze ultra-koude, bevroren kooien te creëren voor een molecuul genaamd barium monofluoride. Dit molecuul is een primaire kandidaat voor de zoektocht, omdat het zware bariumatoom de kleine effecten die wetenschappers zoeken, versterkt. De onderzoekers hebben een geavanceerde vacuümkamer geconstrueerd die fungeert als een laboratorium voor het kweken van deze kristallen. Binnenin gebruiken ze een krachtige laser om een vast doelwit van bariumfluoride te bestralen, waardoor een wolk van atomen en moleculen ontstaat. Deze wolk wordt vervolgens meegevoerd door een stroom koud gas — ofwel neon, ofwel een speciale vorm van waterstof — naar een kamer waar het landt op een saffierplaat. Deze plaat wordt gekoeld door een mechanische koeler tot een verbijsterende 3,2 Kelvin, een temperatuur net boven het absolute nulpunt. Bij deze extreme kou bevriest het gas onmiddellijk en vormt het een vaste kristal die het barium monofluoride erin gevangen houdt.

Wat dit nieuwe apparaat uniek maakt, is het vermogen om het bevroren monster te roteren zonder het vacuüm te verbreken of het op te warmen. Zodra het kristal is gegroeid, kunnen de onderzoekers de plaat draaien om naar verschillende instrumenten te wijzen. Ze kunnen een laser door het kristal schijnen om te zien hoeveel licht het absorbeert, of ze kunnen het draaien om een spiegel te richten die het licht opvangt waarmee het kristal gloeit. Deze flexibiliteit stelt hen in staat om hetzelfde enkele kristal op meerdere manieren te bestuderen, wat ervoor zorgt dat hun metingen consistent zijn en niet vertekend worden door verschillen tussen afzonderlijke monsters. Met deze opstelling slaagde het team erin om kristallen van neon gedoteerd met barium monofluoride te kweken en bevestigde dat de moleculen gevangen en stabiel waren. Wanneer ze een specifiek laserlicht op het kristal schijnen, absorberen de moleculen de energie en zenden ze deze vervolgens weer uit als een gloed, of fluorescentie. Door deze gloed te analyseren, identificeerden ze de specifieke energietoestanden van de moleculen, waarmee werd bevestigd dat de neon-kristalomgeving zich gedraagt als de gasfase, wat precies nodig is voor nauwkeurige metingen.

De onderzoekers testten het systeem ook met een ander type gas, een speciale vorm van waterstof bekend als para-waterstof. Hoewel neon goed werkte, is waterstof theoretisch zelfs beter voor deze experimenten omdat het lichter is en minder interactie heeft met de gevangen moleculen. Het team slaagde erin om barium monofluoride te produceren met behulp van waterstof als koelgas, wat een belangrijke eerste stap markeert naar het kweken van kristallen in dit superieure medium. De studie onthulde echter ook een uitdaging die in toekomstige experimenten beheerst moet worden. Wanneer het laserlicht te fel was of het kristal extreem koud was, vervaagde het gloeiende signaal van de moleculen snel. De onderzoekers stelden vast dat dit niet een falen van de moleculen zelf was, maar een tijdelijk effect waarbij het intense licht of de lokale verhitting ervoor zorgde dat de moleculen even stopten met gloeien. Ze vonden dat dit vervagende effect sterker werd naarmate de temperatuur daalde en het laservermogen toenam.

Naast het barium monofluoride merkten de onderzoekers dat hun laser ook neutrale bariumatomen produceerde, die ook in het kristal gevangen zaten en met hun eigen onderscheidende kleur gloeiden. Dit bevestigde dat het laserbestralingsproces een mengsel van verschillende soorten creëert, die allemaal in het bevroren blok terechtkomen. Door de helderheid van de gloed te meten, schatten de wetenschappers het aantal barium monofluoride-moleculen dat in het kristal gevangen zit, waarbij ze een dichtheid vonden van de orde van grootte 5 maal 10 tot de macht 13 moleculen per vierkante centimeter. Deze nieuwe machine, met zijn roteerbare monster en het vermogen om temperaturen tot 3,2 Kelvin te bereiken, biedt een robuust platform voor toekomstige studies. Het bewijst dat wetenschappers deze delicate kristallen kunnen kweken, hun omgeving kunnen controleren en kunnen beginnen aan het nauwkeurige werk van het onderzoeken van het elektrische dipoolmoment van het elektron, waarmee ze dichter bij het beantwoorden van een van de diepste vragen in de natuurkunde komen.