Ledare inom området ultrakall molekylforskning från Columbia och Harvard-universitetet slår sig samman för att främja förståelsen av kemiska reaktioners kvantmekanik.

Samarbetet kommer att resultera i utvecklingen av nya, mer exakta tekniker som kommer att utöka området för ultrakall kemi till en för närvarande ouppnåelig mängd molekylära arter och reaktioner, möjliggör nya generationer av experiment inom fundamental fysik.

"Vi är väldigt glada över detta samarbete eftersom vi kombinerar två forskningsriktningar som har utvecklats separat och som nu kan sammanföras för att utveckla en ny uppsättning verktyg för både fysiker och kemister, sa Tanya Zelevinsky, en docent i Atomic, Molekylär och optisk fysik och huvudforskare vid Columbia Universitys Z Lab.

De senaste åren har medfört framsteg inom kvantteknologi, inklusive laserkylningsfunktioner, som har möjliggjort studiet av atomer vid mikrokelvin, eller nära noll, temperaturer. I detta tillstånd, forskare kan manipulera och studera inflytandet av kvantstatistik, begränsande geometri, och magnetiska fält - icke-klassiska egenskaper som är otillgängliga i rumstemperaturuppsättningar - på en atoms beteende.

Experimentalister har vetat i åratal att ultrakänsliga mätningar gjorda på ultrakalla atomer eller molekyler kan avslöja några av naturens nu dolda hemligheter, till exempel om "naturens konstanter" faktiskt är konstanta eller förändras med tiden.

Forskare har varit framgångsrika med att använda laserkylning för att studera många typer av atomer, men atomer av det mest betydande kemiska intresset för forskare, som väte, syre, och kväve, saknar de egenskaper som krävs för direkt kylning. Helt nya tekniker behövs för att utforska den ultrakalla kemin som involverar dessa arter.

I ett försök att övervinna denna utmaning, forskare börjar fokusera på att skapa ultrakalla molekyler som innehåller dessa målatomer. Att utveckla och tillämpa dessa tekniker är målet för ett nytt projekt finansierat av W. M. Keck Foundation.

Chefsutredaren Zelevinsky och medforskaren John Doyle, på Harvard, har fått ett anslag på 1 miljon dollar under loppet av tre år för att ta sitt arbete till nästa nivå genom att utveckla en experimentell anläggning som kommer att öppna området för ultrakall kemi för ett mycket bredare utbud av atomära och molekylära arter och reaktioner.

För att ta itu med utmaningen med molekylkylning, forskarna närmar sig problemet från en ny vinkel. Zelevinsky förklarade att fastsättningen av vissa metallatomer, som kalcium, gör att vissa molekyler kan kylas av laserljus.

Teamets plan är att skapa en rad molekyler med denna metallfäste, applicera laserljus för att kyla molekylerna till temperaturer som har varit ouppnåeliga hittills, och sedan använda ytterligare laserljus för att skära av metallatomen i en process som kallas fotodissociation. Denna teknik kommer att möjliggöra manipulering av rörelse och kemiska bindningar av mer komplexa molekyler för att skapa en mängd olika ultrakalla molekylarter som är mycket önskvärda, men hittills otillgänglig, till forskare, och därigenom driva fältet in på nytt territorium.

Potentialen för projektet är omätbar.

"Det finns så många saker som dessa molekyler kommer att hjälpa oss att förstå, " Sade Zelevinsky, och tillägger att studier av kemiska reaktioner som involverar polyatomära molekyler vid ultrakalla temperaturer kommer att öppna nya vägar för att testa nuvarande förståelse för de grundläggande symmetrierna och naturlagarna, inklusive saker om vårt universum som forskare ännu inte kan förklara, såsom obalans mellan materia och antimateria, mörk energi, och interstellära miljöer. Forskningen kommer också att tillhandahålla molekyler för bordsexperiment som traditionellt har krävt acceleratorer för flera miljarder dollar att genomföra.

"Det är verkligen en stor vinst att kunna göra den typen av fysik utan att spendera miljarder på en accelerator, " sa hon. "Att göra kemi i den mycket grundläggande regimen har en känsla av skönhet som människor kan relatera till. När kvantfysik i atomer först utarbetades, ingen kunde ha föreställt sig de många sätt på vilka det skulle användas i vår vardag idag. Molekyler – de kan vibrera och rotera, och är rikare än atomer. Det kommer att finnas många, många fler applikationer som vi inte ens kan föreställa oss just nu."