Atomer i kulda

Det er ikke bare hos mennesker parforhold kan kjølne så mye av at partene forlater hverandre – det skjer også blant atomer. Ny dansk teori beskriver når og hvordan det skjer.

Publisert
Ny fysikkteori beskriver hva som får atomer til å søke en partner og hva som får dem til å bryte ut av forholdet igjen. (Foto: Colourbox)
Ny fysikkteori beskriver hva som får atomer til å søke en partner og hva som får dem til å bryte ut av forholdet igjen. (Foto: Colourbox)

Mange ting oppfører seg svært underlig når de blir kjølt ned til ekstremt lave temperaturer. En kobberledning blir for eksempel plutselig superledende, slik at elektrisk strøm kan passere gjennom uten å miste energi til omgivelsene.

Man har lenge visst at slike forvandlinger skjer fordi kulden gjør noe med atomene i materialet. Kulden får atomer til å danne par eller til å søke sammen i flokker – eller så får den atomer som allerede er bundet til hverandre til å bryte ut av partnerskapet til fordel for nye, spennende relasjoner eller en tilværelse i ensomhet.

Verdifull kunnskap til nye materialer

Atomenes interne relasjoner og brudd er så komplekse at fysikere gjennom tiår har hatt problemer med å forklare hvordan og hvorfor det skjer i forskjellige stoffer og materialer.

Men nå er fysikere fra Aarhus universitet klare med en ny teoretisk modell. Forskerne får dermed et kraftig verktøy til å skape en dypere forståelse av hvordan materialer er bygget opp og hvilke egenskaper de har.

– Den kunnskapen kan være svært verdifull for forskere som arbeider med å designe nye materialer. De er avhengige av å kunne forstå hvordan materialene er bygget opp – hvordan atomene og molekylene knytter seg til hverandre, og når de velger å ikke binde seg, sier Nikolaj Zinner fra Institut for Fysik og Astronomi ved Aarhus universitet, som har vært med i studien.

Resultatene er offentliggjort i de to vitenskapelige tidsskriftene Physical Review Letters og Journal of Physics B.

Kalde atomer styres av kvantemekanikk

Aarhus-fysikernes nye resultater om bindingene mellom atomer kan blant annet brukes til å videreutvikle materialet karbon-nanorør, som er 100 ganger sterkere enn stål. Disse er omkring 1/50.000 av bredden til et menneskehår. (Foto: (Illustrasjon: Århus Universitet))
Aarhus-fysikernes nye resultater om bindingene mellom atomer kan blant annet brukes til å videreutvikle materialet karbon-nanorør, som er 100 ganger sterkere enn stål. Disse er omkring 1/50.000 av bredden til et menneskehår. (Foto: (Illustrasjon: Århus Universitet))

Å beskrive atomers oppførsel er fortsatt en stor utfordring. Fysikere har lenge hatt god kontroll på hvordan store objekter, for eksempel solen og jorden, er knyttet sammen. Slike bindinger kan beskrives ved den forholdsvis lett tilgjengelige klassiske fysikken som ble formulert av Isaac Newton på slutten av 1600-tallet.

Problemene dukker opp når man skal beskrive atomene. Det er som å havne i Alices eventyrland, der helt andre spilleregler gjelder. I atomenes verden har ikke den klassiske fysikken noe den skulle ha sagt. Her er det kvantemekanikken som bestemmer.

På atomnivå endrer ikke energien seg gradvis, men i sprang, eller såkalte kvanter. Når to atomer er bundet til hverandre, skal det altså en bestemt energimengde til for å bryte bindingen. Tett sammenknyttede atomer er så å si i en bestemt, bundet kvantetilstand, og det er nettopp slike tilstander den nye teoretiske modellen beskriver.

Student fikk ideen

Kvantemekanikken er svært komplisert stoff. En rekke fysikere har kjempet med å lage en teoretisk modell for atomære bindinger i de 80 årene kvantemekanikken har vært kjent.

Nå er den danske forskegruppen endelig klare med sitt forslag; og det er doktorgradsstudent Artem Volosniev fra Ukraina som har gjort hoveddelen av arbeidet.

– Modellen vår kan forutsi når atomer eller molekyler kan binde seg til hverandre i to- eller endimensjonale geometrier. Vi har til og med en formel for egenskapene ved disse tilstandene. Dette er svært attraktivt både fra et matematisk og et fysisk synspunkt, sier han.

Den nye modellen kan brukes til å løse to typer oppgaver.

Den er generell nok til å kunne brukes på alle tenkelige spørsmål om bundne tilstander – ikke bare i atom- og molekylfysikk, men også innenfor partikkel- og kjernefysikk. Det er for eksempel viktig å vite hvordan to atomer binder seg til hverandre for å kunne forutsi hvordan tre eller fire atomer kan danne enda større kollektiver.

Modellen gir presise betingelser for når det kan være bundne tilstander på todimensjonale og endimensjonale objekter.

To dimensjoner var den største utfordringen

Den nye modellen vil være til stor nytte i forståelsen av hvordan atomer oppfører seg på todimensjonale overflater.

Oppførsel i én og tre dimensjoner er ganske lik, mens to dimensjoner er noe helt for seg selv.

– Men det er svært mange fysiske fenomener som er basert på fysikk i to dimensjoner, for eksempel elektriske strømmer på metalloverflater. Derfor har det vært viktig å finne en måte å beskrive dette, og det er noe av det modellen vår kan bidra med, sier Zinner.

Modellen forteller for eksempel om hva slags bundet kvantetilstand atomene befinner seg i, hvor langt de er fra hverandre, i hvor stor grad de er påvirket av hverandre, og hvor mye energi det skal til for å bryte forbindelsen.

– Vi har funnet en god formel som kan beregne alle disse tingene, og det er et gjennombrudd. Det gir nye muligheter for å forutsi forskjellige egenskaper ved materialene, avslutter Zinner.

Kulde gjør helium til friksjonsfri væske

Gassen helium reagerer så voldsomt på kulde ved at den plutselig, som ved et trylleslag, forvandler seg til en spesiell form for væske som kan flyte helt uten friksjonsmotstand.

Forvandlingen skjer omkring minus 271 celsius. Da kan væsken flyte over en overflate uten å miste energi til omgivelsene sine.

– Det er et artig fenomen, hvor noe av væsken plutselig kan kravle over en forhindring. Har man for eksempel helium nede i et spann, vil det kravle over kanten og ut i verden, sier post.doc. Nikolaj Zinner.

En forutsetning er altså at temperaturen er svært lav. Det skal ikke mer enn litt risting eller noen små urenheter til før væsken igjen blir til en gass.

Fenomenet ble oppdaget rundt 1930, og selv om man forstår det noenlunde, i teorien, er det fremdeles faktorer som er usikre – den nye modellen kan antagelig hjelpe med å beskrive hva som skjer med atomene.

Modellen kan beskrive fysikken i alt fra solceller til LCD-skjermer

Den nye modellen kan blant annet hjelpe forskerne med å forstå hvordan solceller omdanner lys til elektrisk strøm på det atomære planet. Det kan med tiden føre til betydelig bedre solceller.

Solcellenes oppgave er å ta opp lys på en overflate og deretter omdanne det til elektrisk strøm.

En solcelle virker ved at sollyset skaper partikkelpar på metalloverflaten – et elektron og et antielektron. Den strømmen solcellen kan produsere, baserer seg på partikkelparets kvantetilstand, noe den nye modellen kan beskrive.

Den nye teorien kan også brukes til LCD-skjermer av flytende krystall, som brukes i dataskjermer og andre høyteknologiprodukter.

Visjonen er å gjøre de flytende krystallene mye mindre enn de er i dag. Men jo mindre de er, desto mer vil de være underlagt kvantemekanikken. Den nye modellen kan brukes til å beskrive om to, tre eller flere krystaller vil binde seg til hverandre under bestemte forhold. Dermed vil forskerne få enda mer kontroll over skjermene enn de har i dag.

Referanser:

A. G. Volosniev et. al., Model Independence in Two Dimensions and Polarized Cold Dipolar Molecules, Physical Review Letters, juni 2011 (sammendrag)

A. G. Volosniev et. al., Bound dimers in bilayers of cold polar molecules, Journal of Physics B., juni 2011 (sammendrag)

___________________

© videnskab.dk. Oversatt av Lars Nygård for forskning.no