I leader nel campo della ricerca sulle molecole ultrafredde delle università della Columbia e di Harvard stanno collaborando per promuovere la comprensione della meccanica quantistica delle reazioni chimiche.

La partnership porterà allo sviluppo di nuovi, tecniche più precise che amplieranno il campo della chimica ultrafredda a una gamma attualmente irraggiungibile di specie e reazioni molecolari, consentendo nuove generazioni di esperimenti nella fisica fondamentale.

"Siamo molto entusiasti di questa collaborazione perché stiamo combinando due direzioni di ricerca che si sono sviluppate separatamente e che ora possono essere riunite per sviluppare un nuovo set di strumenti sia per i fisici che per i chimici, " disse Tanya Zelevinsky, un professore associato di Atomica, Fisica molecolare e ottica e ricercatore principale dello Z Lab della Columbia University.

Gli ultimi anni hanno portato al progresso delle tecnologie quantistiche, comprese le capacità di raffreddamento laser, che hanno permesso lo studio degli atomi al microkelvin, o vicino allo zero, temperature. In questo stato, gli scienziati sono in grado di manipolare e studiare l'influenza della statistica quantistica, geometria confinante, e campi magnetici - caratteristiche non classiche che sono inaccessibili nelle configurazioni a temperatura ambiente - sul comportamento di un atomo.

Gli sperimentali sanno da anni che misurazioni ultrasensibili effettuate su atomi o molecole ultrafreddi possono rivelare alcuni dei segreti della natura ora nascosti, ad esempio se le "costanti di natura" sono effettivamente costanti o cambiano con il tempo.

Gli scienziati sono riusciti a utilizzare il raffreddamento laser per studiare molti tipi di atomi, tuttavia atomi di maggior interesse chimico per i ricercatori, come l'idrogeno, ossigeno, e azoto, mancano delle proprietà richieste per il raffreddamento diretto. Sono necessarie tecniche completamente nuove per esplorare la chimica ultrafredda che coinvolge queste specie.

Nel tentativo di vincere questa sfida, i ricercatori stanno iniziando a concentrarsi sulla creazione di molecole ultrafredde contenenti questi atomi bersaglio. Lo sviluppo e l'applicazione di queste tecniche è l'obiettivo di un nuovo progetto finanziato dalla W. M. Keck Foundation.

Il ricercatore principale Zelevinsky e il co-ricercatore John Doyle, ad Harvard, hanno ricevuto una sovvenzione di 1 milione di dollari nel corso di tre anni per portare il loro lavoro al livello successivo sviluppando una struttura sperimentale che aprirà il campo della chimica ultrafredda a una gamma molto più ampia di specie e reazioni atomiche e molecolari.

Per affrontare la sfida del raffreddamento delle molecole, i ricercatori stanno affrontando il problema da una prospettiva nuova. Zelevinsky ha spiegato che l'attaccamento di certi atomi di metallo, come il calcio, permette ad alcune molecole di essere raffreddate dalla luce laser.

Il piano del team è creare una gamma di molecole con questo attacco metallico, applicare la luce laser per raffreddare le molecole a temperature finora irraggiungibili, e quindi utilizzare una luce laser aggiuntiva per tagliare l'atomo di metallo in un processo chiamato fotodissociazione. Questa tecnica consentirà la manipolazione del movimento e dei legami chimici di molecole più complesse per creare una varietà di specie di molecole ultrafredde che sono altamente desiderabili, ma finora inaccessibile, ai ricercatori, spingendo così il campo in un nuovo territorio.

Il potenziale del progetto è incommensurabile.

"Ci sono così tante cose che queste molecole ci aiuteranno a capire, "Zelevinsky ha detto, aggiungendo che lo studio delle reazioni chimiche che coinvolgono molecole poliatomiche a temperature ultrafredde aprirà nuove strade per testare l'attuale comprensione delle simmetrie e delle leggi fondamentali della natura, comprese cose sul nostro universo che gli scienziati non possono ancora spiegare, come lo squilibrio materia-antimateria, energia oscura, e ambienti interstellari. La ricerca fornirà anche molecole per esperimenti da tavolo che tradizionalmente hanno richiesto la conduzione di acceleratori multimiliardari.

"È davvero un grande guadagno essere in grado di fare quel tipo di fisica senza spendere miliardi per un acceleratore, " ha detto. "Fare chimica nel regime fondamentale ha un senso di bellezza con cui le persone possono relazionarsi. Quando la fisica quantistica negli atomi fu elaborata per la prima volta, nessuno avrebbe potuto immaginare i molti modi in cui sarebbe stato utilizzato oggi nella nostra vita quotidiana. Molecole:possono vibrare e ruotare, e sono più ricchi degli atomi. Ce ne saranno tanti, molte altre applicazioni che non possiamo nemmeno immaginare in questo momento."