Illustration av en kolmolekyl som genomgår laserkylning. Kredit:Nicoletta Barolini, Columbia University
Livet (som vi känner det) är baserat på kol. Trots sin allestädes närvarande rymmer detta viktiga element fortfarande massor av hemligheter, på jorden och i himlarna ovanför oss. Till exempel vill astrofysiker som Columbias Daniel Wolf Savin som studerar interstellära moln förstå hur kemikalierna, inklusive kol, som virvlar i dessa nebulösa ansamlingar av gas och damm bildar stjärnorna och planeterna som prickar vårt universum och ger upphov till organiskt liv.
Dessa interstellära moln är kalla till en extrem som är utmanande att efterlikna i ett labb, men Columbia har experter på ultrakall vetenskap. Vid en retreat på fysikavdelningen för flera år sedan vid Columbias Nevis Laboratory träffade astrofysikern Savin kvantfysikern Sebastian Will. Wills labb är specialiserat på att kyla atomer och molekyler till sin absoluta gräns med hjälp av lasrar. Teknikerna för laserkylning har utvecklats snabbt de senaste åren, men fysikers typiska val av atomer och molekyler dyker inte upp för ofta i vardagen. Savin ville veta:Kan du kyla kolmolekyler?
Svaret, åtminstone teoretiskt, är ja, enligt en studie som fysikstudenten Niccolò Bigagli, Savin och Will nyligen publicerade i Physical Review A .
Utgångspunkten för laserkylning av någon atom eller molekyl är att förstå hur den absorberar och avger ljus; den processen minskar den kinetiska energin hos atomen eller molekylen, vilket i slutändan kyler ner den och gör att den nästan stannar. De nödvändiga spektroskopiska data är utmanande att få fram och kräver ofta dyr labbutrustning, men lyckligtvis fanns data för kolmolekyler redan i ExoMol-databasen, en öppen källkodsresurs från University College London med molekylärspektroskopidata som astrofysiker använder för att studera exoplaneternas atmosfärer. .
Bigagli dyker in i data från ExoMol och utvecklade ett schema som borde kunna använda lasrar för att kyla ner kolmolekyler till extremt kalla temperaturer - mer nära replikera dessa förhållanden inom interstellära moln än vad som tidigare varit möjligt i labbet, noterade Savin. Dessa kalla kolmolekyler kunde sedan fångas med så kallad optisk pincett för högprecisionsspektroskopi av deras grundläggande egenskaper eller för reaktionsexperiment för att studera deras kvantkemi, som Will påpekade.
"Kolmolekyler är absolut nödvändiga byggstenar för så många andra molekyler - det är otroligt att tänka på möjligheterna för vad vi skulle kunna skapa med detta nya laserkylningsschema," sa Bigagli. Det kan innefatta att kombinera kol med väteatomer för att studera en viktig klass av molekyler som kallas kolväten.
Att kolmolekyler, som i vissa avseenden skiljer sig ganska mycket från molekyler som hittills har laserkylts i laboratorier, är mottagliga för tekniken ökar också möjligheten att fler alternativ kan finnas på bordet än vad man tidigare insett. "Kolmolekyler kan vara bryggan mellan fysikers något esoteriska molekyler och de som kemister studerar med mer verkliga tillämpningar," sa Bigagli. Teamet analyserar för närvarande ytterligare data för att identifiera andra intressanta molekyler som potentiellt kan laserkylas, samt funderar på vad de kan tillföra till kylt kol.
Endast faktiska experiment kommer att berätta hur framgångsrikt kolkylningsschemat kommer att bli, sa Will, och han hoppas att hans labb kommer att kunna bygga de nödvändiga laserinställningarna snart. "Vi har visat att detta i grunden kommer att fungera med den senaste tekniken - vi behöver bara resurserna för att sätta ihop det", sa han. + Utforska vidare
