การทำให้อะตอมเย็นลงจนถึงอุณหภูมิที่เย็นจัดเป็นงานประจำในห้องปฏิบัติการฟิสิกส์ของอะตอม แต่โมเลกุลกลับเป็นข้อเสนอที่ยากกว่า นักวิจัยในสหรัฐฯ ได้ใช้วิธีการต่างๆ ที่ใช้กันอย่างกว้างขวางในการทำให้โมเลกุลเย็นลงกว่าเดิม ซึ่งเป็นความสำเร็จที่สามารถปูทางสำหรับการใช้งานในพื้นที่ที่หลากหลาย เช่น การนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิสูงและการคำนวณควอนตัม
ในชีวิตประจำวัน เราไม่เห็นผลกระทบที่แปลกประหลาด
ของกลศาสตร์ควอนตัมเพราะสถานะควอนตัมของอนุภาครอบตัวเรานั้นยุบตัวลงอย่างต่อเนื่องหรือคลายตัวเมื่อมีปฏิสัมพันธ์กัน อย่างไรก็ตาม ที่อุณหภูมิใกล้ศูนย์สัมบูรณ์ อนุภาคที่เหมือนกันบางตัวจะเข้าครอบครองสถานะควอนตัมของพลังงานที่ต่ำที่สุดพร้อมๆ กัน ปรากฏการณ์นี้เรียกว่าความเสื่อมของควอนตัม (quantum degeneracy) และแสดงให้เห็นโดยการทดลองในปี 1995 เมื่อกลุ่มที่นำโดย Eric Cornell และ Carl Wieman (จากนั้นที่มหาวิทยาลัยโคโลราโด โบลเดอร์) และ Wolfgang Ketterle แห่งสถาบันเทคโนโลยีแมสซาชูเซตส์ (MIT) ได้ก่อตั้งกลุ่มแรกขึ้น Bose-Einstein condensates (BECs) ที่มีอะตอมของรูบิเดียมและโซเดียมตามลำดับ
ต่อมากลุ่มอื่นได้สร้างคอนเดนเสทโดยใช้สปีชีส์อื่นของอะตอม และได้มีการพัฒนาเทคนิคต่างๆ เพื่อทำให้อะตอมเย็นลงจนถึงความเสื่อมของควอนตัม หนึ่งในวิธีที่ง่ายที่สุด ตัวอย่างอะตอมถูกกักขังอยู่ในกับดักแม่เหล็กหรือออปติคัล อะตอมที่ร้อนกว่าที่มีพลังงานจลน์มากกว่าจะสามารถหลบหนีหรือระเหยออกจากกับดักนี้ได้ง่ายกว่า ดังนั้นอะตอมที่เหลือจึงเย็นลง ในอีกวิธีหนึ่งที่เรียกว่าการระบายความร้อนด้วยความเห็นอกเห็นใจ (sympathetic cooling) อะตอมชนิดหนึ่งจะถูกทำให้เย็นลงโดยตรงและปล่อยให้ความร้อนกับอะตอมอีกประเภทหนึ่ง ซึ่งจะทำให้พวกมันเย็นลงโดยการดึงพลังงานจลน์ของพวกมันออกมา
ระดับความเป็นอิสระมากขึ้น ปัญหามากขึ้น
นักฟิสิกส์ยังพยายามที่จะทำให้โมเลกุลเย็นลงเพื่อลดความเสื่อมของควอนตัม เนื่องจากฟิสิกส์ของพวกมันเข้มข้นกว่าและซับซ้อนกว่าอะตอมที่ไม่มีคู่ Florian Schreck นักฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัยอัมสเตอร์ดัม ประเทศเนเธอร์แลนด์ อธิบายว่า “โมเลกุลมีการหมุนและการสั่นสะเทือน และหากคุณเลือกโมเลกุลอย่างชาญฉลาด ก็สามารถมีโมเมนต์ไดโพลไฟฟ้าที่แรงมากได้” “นั่นทำให้โมเลกุลมีปฏิสัมพันธ์ระหว่างไดโพลกับไดโพลที่รุนแรงมาก ซึ่งทำให้พวกมันมีศักยภาพมหาศาลสำหรับการจำลองควอนตัมของระบบสปิน-แลตทิซ ตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิสูง ระบบทอพอโลยี…รายการข้อเสนอทางทฤษฎีที่ไม่มีที่สิ้นสุด”
น่าเสียดายที่ความซับซ้อนนี้ทำให้โมเลกุลเย็นลงได้ยากขึ้น กระบวนการระบายความร้อนด้วยความเห็นอกเห็นใจ เช่น อาศัยการชนแบบยืดหยุ่นเพื่อถ่ายเทพลังงานระหว่างอนุภาค อย่างไรก็ตาม โมเลกุลสามารถเกิดการชนกันแบบไม่ยืดหยุ่นได้ง่าย ซึ่งปล่อยพลังงานจากระดับความเป็นอิสระในการหมุน แรงสั่นสะเทือน และระดับอื่นๆ การปลดปล่อยพลังงานภายในนี้ทำให้พลังงานจลน์เพิ่มขึ้นอย่างมาก และมักจะจบลงด้วยโมเลกุลที่สูญเสียไปจากกับดัก
แม้ว่าโมเลกุลจะถูกสร้างขึ้นใน BECจากอะตอมคู่
ของสปีชีส์อะตอมเดียวกันตั้งแต่ช่วงต้นทศวรรษ 2000แต่ก็ไม่ถึงปี 2019 ที่ถึงขั้นที่เทียบเท่ากันสำหรับโมเลกุลขั้วโลก ในงานนั้น Jun Ye และเพื่อนร่วมงานที่ JILA ในเมืองโบลเดอร์ รัฐโคโลราโด ได้ทำให้อะตอมของโพแทสเซียมและรูบิเดียมเย็นลงจนกลายเป็นความเสื่อมของควอนตัม จากนั้นจึงนำพวกมันมารวมกันและปรับปฏิกิริยาทางแม่เหล็กระหว่างพวกมันโดยใช้เรโซแนนซ์ที่เรียกว่า Feshbach การปรับแต่งนี้ทำให้อะตอมเป็นที่ชื่นชอบในการสร้างพันธะโควาเลนต์
ยิ่งหนาวยิ่งหนาวในงานใหม่นี้ Ketterle และเพื่อนร่วมงานที่ MIT ได้นำแนวทางทั่วไปมาใช้ และอาจนำไปปรับใช้ได้อย่างกว้างขวางมากขึ้น พวกเขาเริ่มต้นด้วยการใช้เสียงสะท้อนของ Feshbach เพื่อสร้างโมเลกุลโซเดียมลิเธียมในกับดักแสงที่เกิดขึ้นที่จุดโฟกัสของลำแสงเลเซอร์ โมเลกุลในกับดักแสงนี้ “รู้สึก” ถึงศักยภาพในการดักจับอย่างแรงกว่าอะตอมที่พวกมันก่อตัวขึ้น ดังนั้นพวกเขาจึงแลกเปลี่ยนพลังงานศักย์ของพวกมันเป็นพลังงานจลน์ ซึ่งร้อนกว่าอะตอมโซเดียมที่ไม่มีการจับคู่ในกระบวนการ อย่างไรก็ตาม โดยการวางโมเลกุลในสถานะการหมุนที่ยืดออก (ซึ่งทั้งสปินอิเล็กทรอนิกส์และนิวเคลียร์อยู่ในแนวเดียวกับสนามแม่เหล็กที่ใช้) นักวิจัยได้ยับยั้งการชนที่ไม่ยืดหยุ่นซึ่งอาจทำให้โมเลกุลหลุดออกจากกับดักได้
นักวิจัยใช้ศักยภาพในการดักจับที่อ่อนแอกว่าที่อะตอมรู้สึกได้เพื่อให้เย็นลง “เราลดพลังของกับดักแสงเพื่อให้อะตอมที่มีพลังมากที่สุดทิ้งไว้” Hyungmok Son นักศึกษาปริญญาเอกในกลุ่มของ Ketterle ที่ Harvard-MIT Center for Ultracold Atoms และผู้เขียนนำของหนังสือพิมพ์อธิบาย “อะตอมที่เหลือในกับดักชนกันเองและเย็นลง อะตอมที่เย็นกว่าเหล่านี้จะชนกับโมเลกุลเพื่อทำให้เย็นลงยิ่งขึ้น และนี่เป็นกระบวนการที่ต่อเนื่อง”
จำเป็นต้องอัพเกรดในที่สุดนักวิจัยได้ทำให้ตัวอย่างเย็นลงเหลือ 220 nK และ Son กล่าวว่าพวกเขาควรจะสามารถทำให้เย็นลงจนถึงความเสื่อมของควอนตัมได้หากพวกเขาสามารถดักจับโซเดียมอะตอมมากขึ้นด้วยโมเลกุลของพวกมัน “นั่นจะต้องมีการอัปเกรดทางเทคนิคสำหรับการตั้งค่าทดลองของเรา” เขากล่าวเสริม “เรากำลังพยายามหาเลเซอร์ที่ทรงพลังกว่านี้” ในระหว่างนี้ นักวิจัยตั้งใจที่จะศึกษาว่าพลังงานความเย็นเปลี่ยนแปลงไปอย่างไรเนื่องจากสนามแม่เหล็กแปรผันเพื่อให้แน่ใจว่าตรงกับการทำนายตามทฤษฎีหรือไม่
Credit : saglikpersoneliplatformu.com sanatorylife.com semperfidelismc.com shopcoachfactory.net skyskraperengel.net
