Os cientistas já suspeitavam que se as temperaturas estavam a mergulhar para perto de zero absoluto, moléculas viria a uma parada brusca, cessando o seu movimento caótico individual e comportando-se como um corpo coletivo. Este comportamento molecular mais ordenada que começam a se formar muito estranho, exótico estados da matéria - estados que nunca foram observadas no mundo físico.
Agora físicos experimentais no MIT moléculas em um gás de potássio de sódio (arrefecido com sucesso NaK ) a uma temperatura de 500 nanokelvins - apenas um cabelo acima do zero absoluto, e mais de um milhão de vezes mais frio do que o espaço interestelar.Os pesquisadores descobriram que as moléculas ultracold eram relativamente longa e estável, resistindo colisões com outras moléculas reativas. As moléculas também exibiu muito fortes momentos de dipolo - fortes desequilíbrios na carga elétrica dentro de moléculas que mediam forças ímã semelhante entre as moléculas ao longo de grandes distâncias.
Martin Zwierlein, professor de física no MIT e um investigador principal do MIT Laboratory of Electronics Research , diz que enquanto moléculas são normalmente cheio de energia, vibrando e girando e movendo-se pelo espaço a um ritmo frenético, moléculas ultracold do grupo foram efetivamente acalmou - arrefecido a velocidades médias de centímetros por segundo e preparado em seus mais baixos estados vibracionais e rotacionais absolutos.
"Estamos muito perto da temperatura em que a mecânica quântica desempenha um grande papel no movimento de moléculas", diz Zwierlein. "Então, essas moléculas já não correr como bolas de bilhar, mas se mover como ondas de matéria de mecânica quântica.E com moléculas ultracold, você pode obter uma enorme variedade de diferentes estados da matéria, como cristais superfluido, que são cristalina, ainda não sinto nenhuma fricção, o que é totalmente bizarro. Isto não foi observado até agora, mas previsto.Podemos não ser longe de ver esses efeitos, por isso estamos todos animado. "
Cada molécula é composta por átomos individuais que são ligados entre si para formar uma estrutura molecular. A molécula mais simples, que se assemelha um haltere, é constituído por dois átomos ligados por forças electromagnéticas. O grupo de Zwierlein procuraram criar moléculas ultrafrias de potássio de sódio, cada um consistindo de um único átomo de sódio e de potássio.
No entanto, devido aos seus muitos graus de liberdade - tradução, vibração e rotação - arrefecimento moléculas é directamente muito difícil. Átomos, com a sua estrutura muito mais simples, são muito mais fáceis para relaxar.
Como primeiro passo, a equipe usou lasers e resfriamento evaporativo MIT para esfriar nuvens de átomos de sódio e potássio individuais para perto de zero absoluto. Eles, então, essencialmente coladas os átomos juntos para formar moléculas ultracold, a aplicação de um campo magnético para solicitar os átomos a ligação - um mecanismo conhecido como a " ressonância Feshbach ", nomeado após o físico do MIT tarde Herman Feshbach .
"É como sintonizar o seu rádio para estar em ressonância com alguma estação", diz Zwierlein. "Esses átomos começam a vibrar felizes juntos e formar uma molécula ligada."
O vínculo resultante é relativamente fraca, criando o que chama Zwierlein uma molécula de "fofo" que ainda vibra um pouco, já que cada átomo está ligado através de uma ligação longa e tênue. Para trazer os átomos mais juntos para criar, uma molécula mais estável mais forte, a equipe empregou uma técnica relatada pela primeira vez em 2008 por grupos da Universidade de Colorado, para rubídio potássio (KRb) moléculas, e da Universidade de Innsbruck , para a não-polar césio (CE2) moléculas.
Para esta técnica, as moléculas de NaK recém-criadas foram expostos a um par de lasers, a grande diferença de frequência, o qual condiz exactamente a diferença entre a energia, estado inicial da molécula altamente vibração, e o seu estado mais baixo possível vibracional. Através de absorção do laser de baixa energia ea emissão para o feixe de laser de alta energia, as moléculas perdeu toda a sua energia vibracional disponível.
Com este método, o grupo do MIT foi capaz de trazer as moléculas-se aos seus mais baixos estados vibracionais e rotacionais - uma enorme queda na energia. "Em termos de temperatura, nós sugado 7500 kelvins, apenas como aquele", diz Zwierlein.
Em seu trabalho anterior, o grupo Colorado observada uma desvantagem significativa de suas moléculas de rubídio ultracold de potássio: Eles eram quimicamente reativos, e, essencialmente, se desfez quando colidiu com outras moléculas. Esse grupo posteriormente confinado as moléculas em forma de cristais de luz para inibir essas reacções químicas.
O grupo de Zwierlein escolheu para criar moléculas ultracold de potássio de sódio, como esta molécula é quimicamente estável e naturalmente resistentes contra colisões moleculares reactivas. "Quando duas moléculas de rubídio potássio colidem, é mais energeticamente favorável para os dois átomos de potássio e os dois átomos de rubídio para emparelhar-se", diz Zwierlein."Acontece com a nossa molécula de potássio, sódio, essa reação não é favorecida energeticamente. Ele simplesmente não acontecer. "
Em seus experimentos, Park, Will, e Zwierlein observou que o gás molecular foi de facto estável, com um tempo de vida relativamente longo, com duração de cerca de 2,5 segundos. "No caso de moléculas são quimicamente reativos, a pessoa simplesmente não tem tempo para estudá-los em amostras globais: Eles decair longe antes que eles podem ser ainda arrefecida para observar estados interessantes", diz Zwierlein. "No nosso caso, nós esperamos que a nossa vida é longa o suficiente para ver estes novos estados da matéria."
Por átomos primeiro arrefecimento até à temperatura ultrabaixo e moléculas única, formando depois, o grupo conseguiu criar um gás com átomos de moléculas, a medição mil vezes mais frio do que o que pode ser conseguido por técnicas de arrefecimento directo.
Para começar a ver estados exóticos da matéria, Zwierlein diz moléculas terão de ser ainda arrefecido um pouco mais longe, para todos, mas congelá-los no lugar. "Agora estamos em 500 nanokelvins, que já é fantástico, nós amamos isso. Um fator de 10 ou mais frio assim, ea música começa a tocar. "
O Galaxy diário via MIT
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