I åratal, forskare har letat efter sätt att kyla ner molekyler till ultrakalla temperaturer, vid vilken tidpunkt ska molekylerna sakta ner till en krypning, gör det möjligt för forskare att exakt kontrollera sitt kvantbeteende. Detta skulle kunna göra det möjligt för forskare att använda molekyler som komplexa bitar för kvantberäkning, trimma individuella molekyler som små knoppar för att utföra flera strömmar av beräkningar samtidigt.

Medan forskare har superkylda atomer, gör samma sak för molekyler, som är mer komplexa i sitt beteende och sin struktur, har visat sig vara en mycket större utmaning.

Nu har MIT-fysiker hittat ett sätt att kyla molekyler av natriumlitium ner till 200 miljarddelar av en Kelvin, bara ett hårstrå över absolut noll. De gjorde det genom att tillämpa en teknik som kallas kollisionskylning, där de nedsänkte molekyler av kallt natriumlitium i ett moln av ännu kallare natriumatomer. De ultrakalla atomerna fungerade som ett köldmedium för att kyla molekylerna ytterligare.

Kollisionskylning är en standardteknik som används för att kyla ner atomer med hjälp av andra, kallare atomer. Och i mer än ett decennium, Forskare har försökt underkyla ett antal olika molekyler med hjälp av kollisionskylning, bara för att finna att när molekyler kolliderade med atomer, de utbytte energi på ett sådant sätt att molekylerna värmdes eller förstördes i processen, kallas "dåliga" kollisioner.

I sina egna experiment, fann MIT -forskarna att om natriumlitiummolekyler och natriumatomer fick rotera på samma sätt, de kunde undvika självförstörelse, och istället engagerade sig i "bra" kollisioner, där atomerna tog bort molekylernas energi, i form av värme. Teamet använde exakt kontroll av magnetfält och ett invecklat system av lasrar för att koreografera molekylernas spinn och rotationsrörelse. Som resultat, atom-molekylblandningen hade ett högt förhållande mellan bra till dåliga kollisioner och kyldes ner från 2 mikrokelvin till 220 nanokelvin.

"Kollisionskylning har varit arbetshästen för att kyla atomer, ", tillägger Nobelpristagaren Wolfgang Ketterle, John D. Arthur professor i fysik vid MIT. "Jag var inte övertygad om att vårt system skulle fungera, men eftersom vi inte visste säkert, vi var tvungna att prova. Vi vet nu att det fungerar för att kyla natriumlitiummolekyler. Om det kommer att fungera för andra klasser av molekyler återstår att se."

Deras fynd, publiceras i tidskriften Natur , markerar första gången forskare framgångsrikt har använt kollisionskylning för att kyla molekyler ner till nanokelvintemperaturer.

Ketterles medförfattare på tidningen är huvudförfattaren Hyungmok Son, en doktorand vid Harvard Universitys institution för fysik, tillsammans med MIT fysik doktorand Juliana Park, och Alan Jamison, professor i fysik vid University of Waterloo och gästforskare vid MIT:s forskningslaboratorium för elektronik.

Att nå ultralåga temperaturer

Förr, forskare fann att när de försökte kyla ner molekyler till ultrakalla temperaturer genom att omge dem med ännu kallare atomer, partiklarna kolliderade så att atomerna gav extra energi eller rotation till molekylerna, skickar dem att flyga ut ur fällan, eller självförstörande genom kemiska reaktioner. MIT-forskarna undrade om molekyler och atomer, har samma snurr, kan undvika denna effekt, och förbli ultrakall och stabil som ett resultat. De försökte testa sin idé med natriumlitium, en "diatomisk" molekyl som Ketterles grupp experimenterar med regelbundet, bestående av en litium- och en natriumatom.

"Natriumlitiummolekyler skiljer sig ganska mycket från andra molekyler som människor har försökt, " säger Jamison. "Många förväntade sig att dessa skillnader skulle göra att kylning ännu mindre skulle fungera. Dock, vi hade en känsla av att dessa skillnader kan vara en fördel i stället för en nackdel. "

Forskarna finjusterade ett system med mer än 20 laserstrålar och olika magnetfält för att fånga och kyla atomer av natrium och litium i en vakuumkammare, ner till cirka 2 mikrokelviner—en temperatur Son säger är optimal för atomerna att binda samman som natriumlitiummolekyler.

När forskarna väl kunde producera tillräckligt med molekyler, de lyste laserstrålar med specifika frekvenser och polarisationer för att kontrollera molekylernas kvanttillstånd och noggrant avstämda mikrovågsfält för att få atomer att snurra på samma sätt som molekylerna. "Då gör vi kylskåpet kallare och kallare, säger Sonen, hänvisar till natriumatomerna som omger molnet av de nybildade molekylerna. "Vi sänker kraften hos fångslasern, göra den optiska fällan lösare och lösare, som sänker temperaturen på natriumatomer, och kyler molekylerna ytterligare, till 200 miljarddelar av en kelvin."

Gruppen observerade att molekylerna kunde förbli vid dessa ultrakalla temperaturer i upp till en sekund. "I vår värld, en sekund är väldigt lång, "Ketterle säger." Det du vill göra med dessa molekyler är kvantberäkning och utforska nya material, vilket allt kan göras på små bråkdelar av en sekund."

Om laget kan få natriumlitiummolekyler att vara ungefär fem gånger kallare än vad de hittills har uppnått, de kommer att ha nått en så kallad kvantdegenererad regim där enskilda molekyler blir omöjliga att särskilja och deras kollektiva beteende styrs av kvantmekanik. Son och hans kollegor har några idéer för hur man uppnår detta, som kommer att innebära månaders arbete med att optimera deras installation, samt skaffa en ny laser för att integreras i deras installation.

"Vårt arbete kommer att leda till diskussion i vårt samhälle varför kollisionskylning har fungerat för oss men inte för andra, " Son säger "Kanske kommer vi snart att ha förutsägelser hur andra molekyler skulle kunna kylas på detta sätt."