KontaktGrudziądzka 5, 87-100 Toruń
tel.: +48 56 611 3310
fax: +48 56 622 5397

Kwantowe klocki LEGO

obrazek: fot.Andrzej Romański]
fot. Andrzej Romański

Dr hab. Piotr Żuchowski, prof. UMK z Instytutu Fizyki Uniwersytetu Mikołaja Kopernika jest członkiem międzynarodowego zespołu naukowców, który przeprowadził przełomowe badania pozwalające na zbudowanie molekuł składających się z atomów rubidu i strontu w temperaturze jednej milionowej stopnia Celsjusza powyżej zera absolutnego. Wyniki tych badań zostały opublikowane 11 czerwca 2018 r. w prestiżowym czasopiśmie Nature Physics.

W grupie naukowców – współautorów publikacji pt. Observation of Feshbach resonances between alkali and closed-shell atoms znaleźli się - poza pracownikiem Zakładu Mechaniki Kwantowej UMK – badacze z Uniwersytetu w Amsterdamie (Holandia) oraz z Uniwersytetu w Durham (Wielka Brytania).

Umiejętność dostarczania na życzenie ultrazimnych molekuł o różnych własnościach jest wielkim marzeniem fizyków. Gaz złożony z takich ultrazimnych molekuł może mieć wiele nowatorskich zastosowań w badaniach fundamentalnych, takich jak testowanie granic fundamentalnej fizyki czy badanie reakcji chemicznych w egzotycznych, ściśle kontrolowanych warunkach. Układ wielu ultrazimnych molekuł może służyć również do badania mechaniki kwantowej wielu ciał, co ma kluczowe znaczenie w projektowaniu nowych materiałów.

Chłodzenie materii do tak niskich temperatur nie jest zadaniem łatwym. W temperaturze pokojowej atomy i molekuły poruszają się z prędkościami rzędu setek metrów na sekundę, wibrują oraz rotują. Przez ostatnie 30 lat fizycy wypracowali techniki pozwalające na chłodzenie atomów, w szczególności chłodzenie laserowe, podczas którego odpowiednio nastrojony laser spowalnia atomy. Molekuły są jednak dużo trudniejsze do schłodzenia do tak niskiej temperatury, ponieważ dodatkowo drgają i obracają się.

Ponieważ chłodzenie molekuł jest bardzo trudne, fizycy najpierw chłodzą atomy — co jest znacznie prostsze — a dopiero potem usiłują je związać w cząsteczkę. Najtrudniejszym zadaniem jest znalezienie takich warunków, by atomy przyciągały się i połączyły w molekuły, niczym klocki.

Wielce pomocne jest tu zjawisko rezonansu Feshbacha, polegające na możliwości przejścia ze stanu niezwiązanych chemicznie atomów do stanu związanej molekuły. Konieczne jest spełnienie dwóch warunków: 1) muszą to być stany odpowiadającej tej samej wartości energii i 2) musi istnieć wewnętrzny mechanizm powodujący takie przejście. Warunek pierwszy łatwo spełnić stosując pole magnetyczne — za jego pomocą można energię niezwiązanych atomów dostroić dokładnie do odpowiedniego poziomu energetycznego molekuły. - Jeśli istnieje mechanizm sprzęgający pomiędzy atomami a cząsteczką, można zrealizować sytuację, w której para atomów rezonuje z molekułą, wobec czego można złączyć je razem i sporządzić końcowy produkt. – wyjaśnia lider grupy eksperymentalnej prof. Florian Schreck z Uniwersytetu w Amsterdamie. Właśnie znalezienie takiego mechanizmu było największym wyzwaniem w przypadku nowego rodzaju molekuł, które wytworzono, ponieważ znane mechanizmy nie są w tym przypadku dostępne.

Do tej pory potrafiono wytwarzać tylko molekuły składających się z dwóch atomów metali alkalicznych, które mają jeden niesparowany elektron i dlatego mogą tworzyć silnie związane molekuły. Grupa naukowców z Uniwersytetu w Amsterdamie, Uniwersytetu Mikołaja Kopernika w Toruniu oraz Uniwersytetu w Durham dokonała milowego kroku w kierunku utworzenia nowego typu molekuł ultrazimnych, odkryli rezonans Feshbacha w układzie składającym się z rubidu (atomu alkalicznego) i atomu strontu, który ma wszystkie elektrony sparowane (jest atomem z II grupy układu okresowego pierwiastków). Już osiem lat wcześniej Piotr Żuchowski i Jeremy Hutson w badaniach teoretycznych przewidzieli nowy rodzaj słabego rezonansowego sprzężenia, które mogłoby rezonanse Feshbacha powodować. Stosując ultraprezycyjną spektroskopię molekularną grupa doświadczalna mogła te przewidywania uzupełnić i potwierdzić. Ostatecznie rezonans ten stanowi odpowiedni mechanizm do konstruowania ultrazimnych egzotycznych molekuł RbSr.

Cząsteczki te mają radykalnie różne własności w porównaniu do cząsteczek, które tworzone były dotychczas. - To co jest szczególnie atrakcyjne w molekułach RbSr to to, że reagują zarówno na pole magnetyczne, jak i elektryczne. Dzięki temu mamy dwa niezależne sposoby manipulowania molekułą przy pomocy zewnętrznych pól: elektrycznych i magnetycznych — precyzuje toruński naukowiec dr hab. Piotr Żuchowski, prof. UMK.

Jest kilka powodów dlaczego fizycy interesują się ultrazimnymi molekułami nowego typu. Po pierwsze, to że są ultrazimne, czyli nieruchome pozwala je lepiej, dokładniej poznać. Podobnie jest z molekułami, badając je za pomocą fotonów (światłem) możemy poddawać je ich działaniu dużo dłużej wtedy, gdy są nieruchome. Otwiera to drogę do bardzo precyzyjnego zbadania własności tych molekuł, co z kolei może pomóc w odkryciu nowej fizyki, wykraczającej poza współcześnie przyjęty model standardowy.

Po drugie, ultrazimne molekuły mogą być przygotowywane precyzyjnie w wybranych stanach kwantowych, które można wykorzystać w kontrolowanej kwantowo chemii — można przeprowadzać (i badać) ich reakcje chemiczne w ściśle kontrolowany sposób wykorzystując pole elektryczne i magnetyczne jako „pokrętła” sterujące reakcją.

Po trzecie, ultrazimne molekuły w kilku- lub wieloskładnikowych gazach mogą służyć do lepszego poznania zachowania się układów wielu cząstek kwantowych. W temperaturze rzędu jednej milionowej kelwina kwantowa natura tych molekuł staje się bardzo widoczna. Dzięki temu objawić się mogą nowe zjawiska kwantowe, trudne lub niemożliwe do przewidzenia przy użyciu nawet najlepszych superkomputerów. - Lepsze zrozumienie kolektywnych zachowań układów wielu cząstek kwantowych, czy to ultrazimnych molekuł w kwantowym gazie, czy elektronów w metalu może otworzyć drzwi do zaprojektowania nowych materiałów o fascynujących własnościach. – dodaje prof. F. Schreck.

Wyniki tych badań bardzo poszerzają dostępne narzędzia do budowania nowych ultrazimnych molekuł, niczym z klocków LEGO. Prof. Schreck ma nadzieję, że wkrótce możliwe będzie uzyskanie ultrazimnego, gęstego gazu stabilnych molekuł złożonych z rubidu i strontu. - Biorąc pod uwagę liczbę potencjalnych zastosowań jakie miałby taki gaz, wszyscy jesteśmy bardzo podekscytowani nowymi kierunkami badań jakie będzie można podjąć. – dodaje.

Oprócz Amsterdamu jest jeszcze kilka ośrodków na świecie, gdzie badane są podobne układy. Wśród tych miejsc jest Uniwersytet w Durham, gdzie prace nad wytworzeniem molekuł złożonych z iterbu i cezu pro-wadzi m.in. prof. Jeremy Hutson. Również Instytut Fizyki Uniwersytetu Mikołaja Kopernika w Toruniu może poszczycić się budową podobnego układu opartego na atomach rtęci i rubidu w ramach badań prowadzonych w Krajowym Laboratorium Fizyki Atomowej, Molekularnej i Optycznej FAMO.

Piotr Żuchowski urodził się w 1978 roku. Od 2011 roku pracuje w Instytucie Fizyki UMK, od roku 2017 na stanowisku profesora nadzwyczajnego. W 2007 roku pod kierunkiem prof. Roberta Moszyńskiego obronił pracę doktorską „Wielociałowy rachunek zaburzeń o adaptowanej symetrii dla układów otwartopowłokowych o wysokim spinie” na Wydziale Chemii Uniwersytetu Warszawskiego. W latach 2007-2011 przebywał na stażach podoktorskich w Wielkiej Brytanii na Uniwersytecie w Durham i Nottingham. Pracując w grupie prof. Jeremiego Hutsona (współautora publikacji) po raz pierwszy zetknął się z tematyką ultrazimnych molekularnych gazów. Powrócił do Polski po uzyskaniu stypendium Fundacji na rzecz Nauki Polskiej „Homing Plus”. Od tego czasu kierował również kilkoma grantami NCN oraz grantem Iuventus Plus MNiSW oraz uzyskał stypendium MNiSW dla wybitnych młodych naukowców. Do chwili obecnej opublikował około 50 publikacji naukowych. Opisywany wyżej artykuł w Nature Physics to już jego trzecia publikacja w czasopismach grupy „Nature” w ostatnich czterech latach. Wcześniejsze - docenione publikacją w tych czasopismach badania prof. Żuchowskiego - dotyczyły zderzeń molekuł wodoru ze wzbudzonymi atomami helu w niskich temperaturach.
Prof. Żuchowski najchętniej spędza czas na zabawie z rodziną, jest ojcem 11-letniego syna oraz 8-letnich córek-bliźniaczek. W wolnych chwilach jeździ na łyżwach i łyżworolkach.

pozostałe wiadomości