Atomer og molekyler farer hele tiden rundt i rommet, lager piruetter, vibrerer og roterer om seg selv. Det gjør livet vanskelig for forskerne.

Nå har forskere fra Aarhus Universitet i Danmark imidlertid utviklet en ny teknikk som kan avkjøle de ville molekylene og få dem til å ligge nesten fullstendig i ro.

– De har vist at teknikken virker, og det gir dem et fremragende redskap som kan brukes til mange spennende eksperimenter fremover. Det åpner for masse muligheter fordi de nå har mer bedre kontroll over molekylene enn før, sier professor Anders Sørensen fra avdelingen for Ultrakalde atomer og kvanteoptikk ved Niels Bohr Institutet ved Københavns Universitet.

Atomer og molekyler er ustyrlige

For å forstå den nye undersøkelsen må vi kanskje friske opp i kunnskapen fra fysikktimene. Her lærte du antagelig at varme får molekyler og atomer til å bevege seg – jo varmere det er, jo mer farer de rundt.

Hvis man kjøler dem til det absolutte nullpunktet – altså en temperatur på minus 273 grader celsius, altså 0 grader kelvin – så står de imidlertid helt stille.

• Les også: Skal lage universets kaldeste sted

I praksis er det umulig. Men verden over arbeider forskerne for å komme så nærme som mulig, og en utbredt metode er å bruke lasere.

Laserlys kan roe ned atomene

Laserlys kan nemlig brukes til å fryse fast molekyler til bestemte punkter i rommet, men problemet har vært at de vibrerer eller roterer om seg selv.

– De er lokalisert til et bestemt punkt, men de står fortsatt og vibrerer og gjør piruetter om seg selv. Man kan si at molekylene sitter fast i en struktur som er kald, mens de danser rundt seg selv, forklarer professor Michael Drewsen, som er hovedforfatteren på den nye undersøkelsen og professoren ved Institut for Fysik og Astronomi ved Aarhus Universitet.

Drewsen har brukt laserkjøling til å få positivt ladde molekyler til å samle seg i en spesiell struktur – en såkalt coulombkrystall.

– Molekylene kjøles ned til en temperatur som tilsvarer en hundredels grad over det absolutte nullpunktet. Så de er lokalisert ufattelig godt, forklarer Drewsen.

Kald gass stopper molekylenes dans

For å stoppe bevegelsene til molekylene, brukte Drewsen en annen kjent avkjølingsteknikk – nemlig en ultrakald heliumgass.

• Les også: Verden tømmes for helium

– Vi klarte å holde molekylene lokalisert i denne krystallstrukturen samtidig med at vi sendte en kald gass inn til dem. Det er en veldig tynn, kald gass som kjøler molekylenes rotasjon og vibrasjon gjennom kollisjoner, forklarer Drewsen.

Danske forskere setter rekord

I eksperimentene kunne forskerne både få kontroll med et enkelt molekyl og en rekke molekyler på en gang.

– Vi kunne gjennomføre et eksperiment på ett enkelt molekyl som var lokalisert innenfor noen få mikrometer. (1 mikrometer tilsvarer til 0,001 millimeter, red. anm.) Og samtidig hadde molekylet en rotasjonstemperatur på omkring syv grader kelvin. Det er det laveste som er oppnådd ved denne teknikken, forteller Drewsen.

Forskerne brukte et molekyl som bestod av to atomer – et magnesiumatom og et hydrogenatom. Det lille molekylet hadde mistet et av elektronene sine, og dermed hadde det en positiv elektrisk ladning – med andre ord var det snakk om et ion.

Kan brukes på mange molekyler

Selv om eksperimentene bare er utført på de enkle magnesium-hydrogen-molekylene, mener Michael Drewsen at metoden vil kunne overføres til andre typer av molekyler.

– Teknikken burde virke for en stor skare av molekylære ioner. At artikkelen vår har havnet i Nature, skyldes at eksperimentet kan bli skjellsettende for studier av kalde molekylære ioner, mener Drewsen. Nature er et av verdens mest prestisjefylte vitenskapelige tidsskrifter.

Molekyler er vanskelige enn atomer

Professor Anders Sørensen fra Københavns Universitet er enig i at den nye teknikken kan bli et viktig verktøy til studier av kalde molekyler. Han forklarer at ultrakalde molekyler generelt er vanskeligere å studere enn ultrakalde atomer.

– Det er lettere å få kontroll over atomer enn molekyler. Den primære grunnen er at atomer ikke roterer. For å kunne kontrollere molekyler har rotasjonen hele tiden vært den irriterende faktoren. Det er det de har kommet et stort skritt videre med denne teknikken, forklarer Sørensen.

Hva kan det brukes til?

Forskerne forklarer at de har utviklet et verktøy som kan brukes til å oppnå større kunnskap om molekyler.

– For små molekyler er det spørsmålet om å studere noen fundamentale fysiske egenskaper. For større molekyler gjelder det å få orden på uavklarte mekanismer omkring energitransport.

• Les også: Viktig skritt mot kvantedatamaskin

– Det smarte ved teknikken vår er at vi på en enkel måte kan bestemme hvor lav molekylenes indre temperatur skal være. Vi kan tune temperaturen fra 7 kelvin og opp til 60 kelvin på en veldig enkel og kontrollert måte, forklarer Michael Drewsen.

Kan bli nyttig for kvantedatamaskiner

Både Michael Drewsen og Anders Sørensen påpeker dessuten at den nye teknikken kan bli nyttig i utviklingen av såkalte kvantedatamaskiner – en form for superdatamaskiner som forskere verden over arbeider med å utvikle.

Anders Sørensen forklarer at hvis en kvantedatamaskin kan lagre opplysninger i enkelte molekyler, åpner det for helt nye muligheter – og beregninger som er umulige for dagens datamaskiner.

– Men det er bare mulig hvis man har full kontroll over atomer og molekyler. Derfor kan den nye teknikken være et skritt på veien til å kunne lagre informasjon i molekyler.

– Men det er fortsatt lang vei å gå – molekylene roterer for eksempel fortsatt litt, mener Sørensen.

Referanse:

A. K. Hansen m. fl.:Efficient rotational cooling of Coulomb-crystallized molecular ions by a helium buffer gas,Nature (2014), DOI: 10.1038/nature12996

© Videnskab.dk. Oversatt av Lars Nygaard for forskning.no.