Naukowcy z UMK stworzyli unikatową w skali świata aparaturę. O badaniach przy jej użyciu informuje najnowszy "Nature Physics". – W Toruniu rozwijamy jedne z najbardziej zaawansowanych technologii kwantowych, służących nie tylko celom praktycznym. Chodzi nam o przesuwanie granic poznania – mówi prof. Piotr Wcisło z Instytutu Fizyki UMK.
Artykuł Cavity-enhanced spectroscopy in the deep cryogenic regime for quantum sensing and metrology ukazał się właśnie w jednym z najbardziej cenionych czasopism naukowych na świecie – "Nature Physics". Grupa naukowców z Instytutu Fizyki UMK opisuje skonstruowany przez siebie w ramach Krajowego Laboratorium Fizyki Atomowej, Molekularnej i Optycznej (KL FAMO), unikatowy w międzynarodowej skali system. Pozwala on przenieść wiodące technologie spektroskopii laserowej w reżim temperatur kriogenicznych oraz przeprowadzenie z jego użyciem badania teorii kwantowej dla molekuł, charakteryzujące się niespotykanym dotąd poziomem dokładności. W skład zespołu autorów weszli: mgr Kamil Stankiewicz, mgr inż. Marcin Makowski, dr inż. Michał Słowiński, mgr inż. Kamil Leon Sołtys, mgr Bogdan Bednarski, dr Hubert Jóźwiak, dr Nikodem Stolarczyk, dr inż. Mateusz Narożnik, Dariusz Kierski, dr Szymon Wójtewicz, dr hab. Agata Cygan, prof. UMK, dr inż. Grzegorz Kowzan, dr hab. Piotr Masłowski, prof. UMK, dr hab. Mariusz Piwiński, prof. UMK, prof. dr hab. Daniel Lisak i prof. dr hab. Piotr Wcisło.
Udało się nam stworzyć coś zupełnie wyjątkowego: zebraliśmy wokół naszych idei naukowych dużą grupę ultrazdolnych młodych ludzi oraz pozyskaliśmy ogromne finansowanie zarówno z Polski, jak i z zagranicy – mówi prof. Piotr Wcisło z Katedry Fizyki Atomowej, Molekularnej i Optycznej w Instytucie Fizyki na Wydziale Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej UMK. – Dzięki temu potencjałowi, nakładom oraz naszej systematyczności i jasno określonym od blisko dziesięciu lat celom zbudowaliśmy aparaturę naukową niedostępną nigdzie indziej na świecie. Pozwala nam ona spojrzeć na fizykę i mechanikę kwantową z perspektywy, z której nikt wcześniej na nią nie patrzył.
Zimno w laboratorium
Fizycy skonstruowali niezwykle czuły spektrometr wykorzystujący wnękę optyczną – to urządzenie znane, ale naukowcy z UMK rozszerzyli jego działanie na tzw. głęboki reżim kriogeniczny. Instrument działa w warunkach dochodzących do 4 kelwinów (około −269 st. C), czyli bliskich zeru absolutnemu. Tak niska temperatura ma ogromne znaczenie, ponieważ cząsteczki poruszają się wówczas dużo wolniej, przez co ich sygnały w widmie przestają być rozmyte (zmniejsza się tzw. efekt Dopplera), absorpcja staje się wyraźniejsza, a liczba możliwych stanów ruchu cząsteczek maleje, co upraszcza widmo. Dodatkowo zanieczyszczenia gazowe ulegają "zamrożeniu" i przestają zakłócać pomiar, a skomplikowane widma dużych cząsteczek stają się łatwiejsze do interpretacji.
Jak wygląda urządzenie znajdujące się w laboratorium przy ul. Grudziądzkiej? Jego konstrukcja bazuje na wnęce optycznej, czyli układzie dwóch zwierciadeł o niezwykle wysokim współczynniku odbicia i bardzo małych stratach energii. Wnęka pozwala uwięzić światło na długi czas – odbija się ono od zwierciadła do zwierciadła, dzięki czemu droga przez nie przebyta może mierzyć kilka, a nawet kilkanaście kilometrów.
Wnęka umieszczona jest w specjalnej miedzianej komorze próżniowej o długości 79 cm. Wewnętrzna komora jest zawieszona na cienkich elementach z tytanu, aby ograniczyć dopływ ciepła i tłumić drgania – to ważne, bo nawet minimalne wibracje mogłyby zepsuć tak precyzyjny pomiar. Naukowcy zamontowali również specjalny laser, tzw. optyczny oscylator parametryczny, wytwarzający światło o odpowiedniej długości fali.
– Światło jest bardzo dokładnie dostrajane do wnęki, by idealnie z nią współgrało. Stosuje się do tego technikę stabilizacji częstotliwości – wyjaśnia prof. Wcisło. – Następnie częstotliwość tego światła jest porównywana z tzw. optycznym grzebieniem częstotliwości, czyli systemem laserowym pozwalającym mierzyć częstotliwość światła z niezwykle wysoką precyzją. Grzebień jest z kolei powiązany z maserem wodorowym, czyli bardzo dokładnym zegarem atomowym zsynchronizowanym z oficjalnym czasem UTC. W praktyce oznacza to, że częstotliwość mierzonego światła jest odniesiona do jednego z najdokładniejszych standardów czasu na świecie. Dzięki temu cały układ pozwala mierzyć właściwości badanej cząsteczki z ekstremalną precyzją, przy pełnej kontroli temperatury, drgań i stabilności częstotliwości.
Prof. Wcisło tłumaczy, że największym wyzwaniem było nie tylko schłodzenie samego gazu, lecz całego układu pomiarowego – w tym luster i mechanizmu regulującego długość wnęki.
– Chodzi o to, aby wszystko miało jednakową temperaturę i pozostawało w równowadze termodynamicznej. Trzeba było też skutecznie odizolować urządzenie od drgań i zakłóceń zewnętrznych, zwłaszcza tych generowanych przez układ chłodzący. Dzięki temu powstał spektrometr, który może stabilnie i bardzo precyzyjnie pracować w ekstremalnym zimnie – mówi naukowiec.
Wodór w ekstremalnym zimnie
Naukowcy do badań w ekstremalnym zimnie wybrali cząsteczkę molekularnego wodoru. Ta najprostsza molekuła jest niezwykle istotna dla badań podstawowych – jej struktura może być wyliczona z zasad pierwszych, więc może być z powodzeniem użyta do testowania zasad mechaniki i elektrodynamiki kwantowej dla molekuł.
– Z fizycznego punktu widzenia molekuła wodoru jest układem czterech ciał: dwa masywne protony połączone ze sobą "chmurą" dwóch elektronów, które można wprawiać w oscylację oraz nadawać im rotację. Należy jednak pamiętać, że taki układ jest obiektem mikroskopowym i podlega prawom mechaniki kwantowej, a nie klasycznej. Zatem zamiast mówić o klasycznych obrotach i wibracjach, mówimy o kwantowych stanach rotacyjno-wibracyjnych – tłumaczy prof. Wcisło. – Zasadniczą różnicą między opisem klasycznym a kwantowym jest to, że kwantowe stany związane mogą przyjmować tylko ściśle określone, dyskretne wartości energii. Najbardziej powszechną metodą badania takich stanów jest spektroskopia molekularna, polegająca na umieszczeniu molekuł w polu fali elektromagnetycznej i obserwowaniu, jakie częstości są absorbowane.
Wierzchołek góry lodowej
Prof. Piotr Wcisło przyznaje, że już pierwsza kampania pomiarowa przyniosła bardzo mocny wynik fizyczny.
Przetestowaliśmy teorię kwantową dla układu czterech ciał na najwyższym poziomie dokładności. Dotychczas nikt nie wykonywał spektroskopii wnękowej o tak wysokiej rozdzielczości w tak niskiej temperaturze, przy pełnej równowadze termicznej – mówi naukowiec. – I, co warto podkreślić, zrobiliśmy to tutaj, w Toruniu, to jest w pełni polska technologia: od idei, przez projekt i budowę, aż po najdokładniejsze pomiary. To ważne – w końcu nasz kraj zaczyna poważnie partycypować w rozwoju współczesnej nauki; nie tylko fizyka teoretyczna, ale też technologie i najbardziej zaawansowane układy eksperymentalne. Teraz pokazujemy, że można. Naszą ambicją jest, ażeby Toruń, Uniwersytet Mikołaja Kopernika, nasz Instytut Fizyki na stałe zagościły w czołówce światowych liderów współczesnej fizyki kwantowej.
Fizyk zapowiada, że najnowsza publikacja jego zespołu w "Nature Physics" to tylko wierzchołek góry lodowej. Technologie kwantowe, które rozwinęli, otwierają drogę do szeregu zupełnie nowych programów badawczych niedostępnych w żadnej innej grupie na świecie.
Naukowcy z UMK już rozwijają ultradokładne testy chemii kwantowej – prowadzą m.in. obliczenia mechaniki kwantowej dla układów o dużo większej złożoności, np. oddziaływań między molekułami. Badaczy interesuje, jak atomy i cząsteczki oddziałują ze sobą oraz jak zachowują się podczas zderzeń. W bardzo niskich temperaturach ujawniają się bowiem subtelne efekty kwantowe, a w wielu przypadkach eksperymenty nie zgadzają się w pełni z teorią i wciąż nie wiadomo dlaczego.
– Zderzenia w skali mikro nie są klasycznymi zderzeniami. Powinniśmy patrzeć na nie jak na światło rozpraszające się na szkle albo na wodzie. Zderzające się molekuły w istocie stanowią rozpraszanie fal materii w sensie kwantowo-mechanicznym – tłumaczy prof. Wcisło.
Nie mniej ważnym projektem bazującym na technologiach kwantowych jest dostarczanie astronomom i astrofizykom danych molekularnych, niezbędnych do badania atmosfer planet, księżyców planetarnych i egzoplanet.
To jeden z najgorętszych tematów współczesnej nauki. Jak wygląda chemia poza naszym Układem Słonecznym? Czy istnieje biologia? Czy istnieje życie? Aby astronomowie mogli odpowiedzieć na te pytania, potrzebują twardych danych molekularnych, które powstają w takich laboratoriach jak nasze – mówi prof. Wcisło.
Następnym obszarem, w którym technologia z Torunia może mieć wielkie znaczenie, jest rozwój wzorców Międzynarodowego Układu Jednostek Miar (SI). Prof. Wcisło wyjaśnia, że choć mało osób o tym wie, kilka lat temu (w 2019 roku) doszło do rewolucji w tym obszarze – zmieniono sposób, w jaki definiowana jest większość jednostek SI. Określają je już nie fizyczne wzorce, jak np. metalowy cylinder przechowywany pod Paryżem (tzw. Międzynarodowy Prototyp Kilograma), lecz prawa fizyki i stałe fizyczne natury – np. kilogram definiuje dokładnie ustalona wartość stałej Plancka.
Na świecie trwa wyścig technologiczny o to, która grupa stworzy najdokładniejsze kwantowe wzorce tych jednostek SI. Rozwinięte przez nas technologie stawiają nas w uprzywilejowanej pozycji na kilku frontach tego wyścigu – dodaje prof. Wcisło. – Jednak zastosowania praktyczne naszych technologii są tylko "efektem ubocznym". Nasz cel to przesuwanie granic poznania, jak najgłębsze zrozumienie struktury rzeczywistości.
Więcej o badaniach zespołu prof. Piotra Wcisło