Por anos, cientistas procuraram maneiras de resfriar as moléculas a temperaturas ultracold, em que ponto as moléculas devem desacelerar para um rastreamento, permitindo que os cientistas controlem com precisão seu comportamento quântico. Isso pode permitir que os pesquisadores usem moléculas como bits complexos para computação quântica, ajustar moléculas individuais como pequenos botões para realizar vários fluxos de cálculos ao mesmo tempo.

Enquanto os cientistas têm átomos super-resfriados, fazendo o mesmo com as moléculas, que são mais complexos em seu comportamento e estrutura, provou ser um desafio muito maior.

Agora, os físicos do MIT encontraram uma maneira de resfriar as moléculas de sódio e lítio até 200 bilionésimos de Kelvin, apenas um fio de cabelo acima do zero absoluto. Eles fizeram isso aplicando uma técnica chamada resfriamento colisional, em que eles imergiram moléculas de lítio e sódio frio em uma nuvem de átomos de sódio ainda mais frios. Os átomos ultrafrios agiam como refrigerante para resfriar ainda mais as moléculas.

O resfriamento colisional é uma técnica padrão usada para resfriar átomos usando outros, átomos mais frios. E por mais de uma década, pesquisadores tentaram superresfriar uma série de moléculas diferentes usando resfriamento colisional, apenas para descobrir que, quando as moléculas colidiram com os átomos, eles trocaram energia de tal forma que as moléculas foram aquecidas ou destruídas no processo, chamadas de colisões "ruins".

Em seus próprios experimentos, os pesquisadores do MIT descobriram que se as moléculas de sódio e lítio e os átomos de sódio girassem da mesma maneira, eles poderiam evitar a autodestruição, e, em vez disso, se envolveu em "boas" colisões, onde os átomos tiraram a energia das moléculas, na forma de calor. A equipe usou o controle preciso dos campos magnéticos e um intrincado sistema de lasers para coreografar o spin e o movimento rotacional das moléculas. Como resultado, a mistura átomo-molécula teve uma alta proporção de colisões boas e ruins e foi resfriada de 2 microkelvin para 220 nanocelvin.

"O resfriamento colisional tem sido o carro-chefe para resfriar átomos, "acrescenta o ganhador do Prêmio Nobel Wolfgang Ketterle, o professor de física John D. Arthur do MIT. "Eu não estava convencido de que nosso esquema funcionaria, mas como não sabíamos com certeza, tivemos que tentar. Agora sabemos que ele funciona para resfriar as moléculas de sódio e lítio. Se funcionará para outras classes de moléculas, ainda não se sabe. "

Suas descobertas, publicado no jornal Natureza , marca a primeira vez que pesquisadores usaram com sucesso o resfriamento colisional para resfriar moléculas até temperaturas de nanokelvin.

Os co-autores de Ketterle no papel são o autor principal Hyungmok Son, um estudante de pós-graduação no Departamento de Física da Universidade de Harvard, junto com a estudante de graduação em física do MIT, Juliana Park, e Alan Jamison, professor de física na Universidade de Waterloo e cientista visitante no Laboratório de Pesquisa de Eletrônica do MIT.

Atingindo temperaturas ultrabaixas

No passado, os cientistas descobriram que, quando tentaram resfriar as moléculas a temperaturas ultracold, envolvendo-as com átomos ainda mais frios, as partículas colidiram de modo que os átomos transmitiram energia extra ou rotação para as moléculas, enviando-os voando para fora da armadilha, ou se autodestruindo por meio de reações químicas. Os pesquisadores do MIT se perguntaram se as moléculas e átomos, tendo o mesmo giro, poderia evitar este efeito, e permanecer ultracold e estável como resultado. Eles procuraram testar sua ideia com lítio de sódio, uma molécula "diatômica" que o grupo de Ketterle experimenta regularmente, consistindo em um átomo de lítio e um átomo de sódio.

"As moléculas de sódio e lítio são bastante diferentes de outras moléculas que as pessoas já experimentaram, "Jamison diz." Muitas pessoas esperavam que essas diferenças tornariam o resfriamento ainda menos provável de funcionar. Contudo, tínhamos a sensação de que essas diferenças poderiam ser uma vantagem em vez de um prejuízo. "

Os pesquisadores ajustaram um sistema de mais de 20 feixes de laser e vários campos magnéticos para capturar e resfriar átomos de sódio e lítio em uma câmara de vácuo, até cerca de 2 microkelvins - uma temperatura que Son diz ser ideal para os átomos se unirem como moléculas de sódio e lítio.

Uma vez que os pesquisadores foram capazes de produzir moléculas suficientes, eles emitiram feixes de laser de frequências e polarizações específicas para controlar o estado quântico das moléculas e campos de microondas cuidadosamente ajustados para fazer os átomos girarem da mesma maneira que as moléculas. "Então deixamos a geladeira cada vez mais fria, "diz filho, referindo-se aos átomos de sódio que circundam a nuvem das moléculas recém-formadas. "Reduzimos a potência do laser de captura, tornando a armadilha óptica cada vez mais solta, o que reduz a temperatura dos átomos de sódio, e resfria ainda mais as moléculas, a 200 bilionésimos de um Kelvin. "

O grupo observou que as moléculas foram capazes de permanecer nessas temperaturas ultracold por até um segundo. "Em nosso mundo, um segundo é muito longo, "Ketterle diz." O que você quer fazer com essas moléculas é a computação quântica e a exploração de novos materiais, que tudo pode ser feito em pequenas frações de segundo. "

Se a equipe conseguir que as moléculas de sódio e lítio sejam cerca de cinco vezes mais frias do que o que eles conseguiram até agora, eles terão alcançado um chamado regime degenerado quântico, onde as moléculas individuais se tornam indistinguíveis e seu comportamento coletivo é controlado pela mecânica quântica. Filho e seus colegas têm algumas ideias de como conseguir isso, que envolverá meses de trabalho na otimização de sua configuração, bem como adquirir um novo laser para integrar em sua configuração.

"Nosso trabalho levará a uma discussão em nossa comunidade por que o resfriamento por colisão funcionou para nós, mas não para os outros, "Son diz:" Talvez em breve tenhamos previsões de como outras moléculas poderiam ser resfriadas dessa maneira. "