Freeze! How to get molecules to stand still

Using a combination of laser beams and ice-cold gas, researchers at Aarhus University have succeeded in cooling molecules so much that they stand still and do as they are told.

2014.03.17 | Peter F. Gammelby

Researchers at Aarhus University and the Max Planck Institute have got molecules to stand still by cooling them down to record-low temperatures. Illustration: Alex Gingell

Professor Michael Drewsen is group leader of the Ion Trap Group at the Department of Physics and Astronomy, and first author of the article in Nature. Photo: Aarhus University

An electromagnetic field is formed by electrodes (illustrated in gold) in a vacuum chamber in which atomic ions and molecular ions are trapped. The atomic ions are initially cooled by laser light (the white spheres), after which helium gas (the mauve spheres) cools down the molecular ions. The molecules consist of a magnesium atom (blue spheres) and a hydrogen atom (green spheres). Illustration: Alex Gingell

A completely still molecule is wishful thinking for a researcher. In any case, if the researcher would like to study the molecule and carry out experiments under controlled conditions.

Unfortunately, it is also an extremely rare situation because molecules and atoms are basically fidgety little rogues.

In solid form, they behave somewhat like school pupils during the last period of the day – they remain in their places, but rotate and vibrate restlessly in their seats. In gas form, it is just like a kindergarten. They dash around the room, individually rotating and vibrating at the same time. In a way, they do this in liquid form as well, but here they are so closely packed together that they are unable to race around so quickly.

Read more (in Danish only) below. For contact details in English, go to the bottom of the page.

Tag det køligt

Rundt om i verden knokler fysikere og kemikere med at finde måder at tæmme de små labaner, så de holder sig helt i ro. Og alle forsøgene indebærer nedkøling. Som bekendt bevæger atomer og molekyler sig hurtigere, når de varmes op, og langsommere, når de køles ned. Hvis man kan få temperaturen helt ned til det absolutte nulpunkt, -273° C (eller 0 grader Kelvin), bevæger de sig slet ikke.

Det er dog sværere, end det lyder, for den lave temperatur skal helst bevares længe nok til, at man kan nå at studere og eksperimentere med de kolde molekyler.

Og her er det så, at et forskningssamarbejde mellem Aarhus Universitet og Max Planck Instituttet i Tyskland har skabt et gennembrud:

Ved at kombinere to vidt forskellige teknologier på en helt ny måde er det lykkedes forskerne at køle et molekyles bevægelse i rummet ned til 0,01 Kelvin og samtidig dæmpe dets roterende og vibrerende bevægelser til det laveste niveau hidtil målt – og holde den lave temperatur og roen så længe, at der var god tid til at eksperimentere med molekylet.

Laser og gas

De to teknologier er laserkøling og gaskøling. Med den første kan man skyde på atomer med laserstråler fra forskellige vinkler og dermed få dem til at stå stille – hvilket gør dem kolde. Med den anden pumper man en kold gas, i dette tilfælde helium, mod molekylerne, som afgiver energi i form af varme, når de kolliderer med helium-atomerne.

Gas-metoden ville normalt ikke være det første valg til at køle molekyler ned, hvis formålet er at holde molekylerne i ro i en længere periode. Som ovenfor nævnt er gassen ren børnehave, og selv om den er kølet ned til 9 Kelvin, vil helium-atomerne stadig futte frit omkring og buse ind i molekylet under aldeles ukontrollerede former.

Men Michael Drewsen, der er professor ved Institut for Fysik og Astronomi på Aarhus Universitet, har sammen med kolleger på Max-Planck-Institut für Kernphysik i Heidelberg altså fundet en smart måde at kombinere metoderne – en metode, som de netop har offentliggjort i det prestigefyldte tidsskrift Nature.

Krystal med plads til gas

Først har de skabt en coulomb-krystal. Sådan en opstår, når man nedkøler positivt ladede ioner, som man holder fanget i et elektromagnetisk felt (også kaldet en fælde) til under 0,01 Kelvin ved hjælp af laserkøling.

På grund af kulden søger ionerne ind mod midten af feltet, men da de alle er positivt ladede, frastøder de hinanden. I de to modsat rettede kræfter finder de en balance, hvori de danner en ordnet struktur, ligesom en krystal. Men til forskel fra almindelige krystaller af fast stof er strukturen i en coulomb-krystal meget løs: afstanden mellem de enkelte ioner er 100.000 gange større end afstanden mellem atomerne i en krystal af normalt faststof.

Dermed er der rigeligt plads til at pumpe kold gas ind mellem ionerne, samtidig med at ionerne bliver i deres krystalstruktur.

Men hvorfor køle med gas, når krystallen allerede er 0,01 Kelvin kold?

Fordi netop denne coulomb-krystal består af to slags ioner: magnesium-atomer og magnesium-brint-molekyler, der alle har fået fjernet en elektron. Og laserkølingen virker kun på atomare ioner, ikke på molekylære ioner. Når de molekylære ioner alligevel kan indgå i krystallen, er det fordi de nedkøles indirekte af de kolde atomare ioner – men kun så meget, at de ikke farer rundt i rummet; de vibrerer og roterer stadig, som var de i stuetemperatur.

Helium-gassen på 9 Kelvin er det sidste nøk, der får molekyle-ionen til at sidde stille. Gassen er ganske vist meget varmere end de atomare ioner, som jo er kølet ned til 0,01 Kelvin, men da laserkølingen stadig er i gang, smelter krystallen ikke.

Med andre ord: der er på alle måder ro i klassen, uden at eleverne er faldet i søvn.

Vigtigt nyt værktøj

”Det er et meget stort fremskridt. Vi har vist, at vi kan holde en molekyle-ion under fuld kontrol: den fiser ikke rundt, og den hverken roterer eller vibrerer. Den er lokaliseret inden for ganske få mikrometer, samtidig med at den forbliver i en veldefineret kvantetilstand. Dermed har vi udviklet et nyt værktøj, der kan bruges til udforske molekyler og eksperimentere med dem. Og det kan vi gøre lang tid ad gangen. I timevis, faktisk,” siger Michael Drewsen.

Han påpeger, at værktøjet giver unikke muligheder for at måle på molekylers indre energistrukturer ved hjælp af laserspektroskopi. Det kan gøre det muligt at fastsætte nogle naturkonstanter mere præcist – som f.eks. masseforholdet mellem protoner og elektroner.

”Samtidig har vi vist, at man efter dannelsen af krystallen kan påvirke molekylær-ionerne med laserlys og skræddersy bestemte interne tilstande. Vi kan dreje dem rundt, ændre elektronfordeling og kernefordeling, og ved hjælp af elektroderne kan vi flytte rundt på nogle ioner i fælden og ændre deres rotation, så den svarer til en anden temperatur end den, deres omgivelser ellers tilsiger. Vi kan fintune rotationstemperaturen mellem 10 og 100 grader Kelvin, så vi kan studere mekanismer under forskellige temperaturforhold, der er fuldstændig kontrollerede. Dermed kan vi bedre studere effekter og kemiske reaktioner, siger Michael Drewsen.

Han er ikke i tvivl om, at metoden også vil kunne anvendes på større og mere komplicerede molekyler.


For more information, please contact

Michael Drewsen
Department of Physics and Astronomy
Aarhus University
drewsen@phys.au.dk

Science and Technology, Department of Physics, Public / media, Research
Tags: laserkøling,bufferkøling,ioner,atom,molekyle,eksperiment,coulomb-krystal,rotationstemperatur,Michael Drewsen,