Per anni, gli scienziati hanno cercato modi per raffreddare le molecole fino a temperature ultrafredde, a quel punto le molecole dovrebbero rallentare a passo d'uomo, consentendo agli scienziati di controllare con precisione il loro comportamento quantistico. Ciò potrebbe consentire ai ricercatori di utilizzare le molecole come bit complessi per il calcolo quantistico, sintonizzare singole molecole come minuscole manopole per eseguire più flussi di calcoli alla volta.

Mentre gli scienziati hanno atomi super-raffreddati, facendo lo stesso per le molecole, più complesse nel comportamento e nella struttura, ha dimostrato di essere una sfida molto più grande.

Ora i fisici del MIT hanno trovato un modo per raffreddare le molecole di sodio litio fino a 200 miliardesimi di Kelvin, solo un pelo sopra lo zero assoluto. Lo hanno fatto applicando una tecnica chiamata raffreddamento collisionale, in cui hanno immerso molecole di sodio litio freddo in una nuvola di atomi di sodio ancora più freddi. Gli atomi ultrafreddi hanno agito come refrigerante per raffreddare ulteriormente le molecole.

Il raffreddamento per collisione è una tecnica standard utilizzata per raffreddare gli atomi utilizzando altri, atomi più freddi. E per più di un decennio, i ricercatori hanno tentato di sottoraffreddare un certo numero di molecole diverse usando il raffreddamento per collisione, solo per scoprire che quando le molecole si scontravano con gli atomi, scambiavano energia in modo tale che le molecole venivano riscaldate o distrutte nel processo, chiamate collisioni "cattive".

Nei loro stessi esperimenti, i ricercatori del MIT hanno scoperto che se le molecole di sodio litio e gli atomi di sodio fossero fatti girare allo stesso modo, potrebbero evitare di autodistruggersi, e invece impegnato in "buone" collisioni, dove gli atomi hanno portato via l'energia delle molecole, sotto forma di calore. Il team ha utilizzato un controllo preciso dei campi magnetici e un intricato sistema di laser per coreografare lo spin e il movimento rotatorio delle molecole. Come risultato, la miscela atomo-molecola aveva un alto rapporto tra collisioni buone e cattive ed è stata raffreddata da 2 microkelvin a 220 nanokelvin.

"Il raffreddamento collisionale è stato il cavallo di battaglia per il raffreddamento degli atomi, " aggiunge il premio Nobel Wolfgang Ketterle, il professore di fisica John D. Arthur al MIT. "Non ero convinto che il nostro schema avrebbe funzionato, ma poiché non lo sapevamo con certezza, dovevamo provarlo. Ora sappiamo che funziona per raffreddare le molecole di sodio e litio. Resta da vedere se funzionerà per altre classi di molecole».

Le loro scoperte, pubblicato sulla rivista Natura , segnare la prima volta che i ricercatori hanno utilizzato con successo il raffreddamento per collisione per raffreddare le molecole fino a temperature nanokelvin.

I coautori di Ketterle sull'articolo sono l'autore principale Hyungmok Son, uno studente laureato presso il Dipartimento di Fisica dell'Università di Harvard, insieme alla studentessa laureata in fisica del MIT Juliana Park, e Alan Jamison, professore di fisica all'Università di Waterloo e visiting scientist nel Research Laboratory of Electronics del MIT.

Raggiungere temperature ultrabasse

Nel passato, gli scienziati hanno scoperto che quando hanno cercato di raffreddare le molecole fino a temperature ultrafredde circondandole con atomi ancora più freddi, le particelle si scontravano in modo tale che gli atomi impartissero energia extra o rotazione alle molecole, facendoli volare fuori dalla trappola, o si autodistruggono tutti insieme mediante reazioni chimiche. I ricercatori del MIT si sono chiesti se le molecole e gli atomi, avendo lo stesso giro, potrebbe evitare questo effetto, e di conseguenza rimangono ultrafreddi e stabili. Hanno cercato di testare la loro idea con sodio litio, una molecola "biatomica" che il gruppo di Ketterle sperimenta regolarmente, costituito da un atomo di litio e un atomo di sodio.

"Le molecole di sodio e litio sono molto diverse dalle altre molecole che le persone hanno provato, " Dice Jamison. "Molte persone si aspettavano che queste differenze rendessero il raffreddamento ancora meno probabile che funzioni. Però, avevamo la sensazione che queste differenze potessero essere un vantaggio invece che un danno".

I ricercatori hanno messo a punto un sistema di oltre 20 raggi laser e vari campi magnetici per intrappolare e raffreddare atomi di sodio e litio in una camera a vuoto, fino a circa 2 microkelvin, una temperatura che Son dice sia ottimale per gli atomi per legarsi insieme come molecole di sodio e litio.

Una volta che i ricercatori sono stati in grado di produrre abbastanza molecole, irradiavano raggi laser di frequenze e polarizzazioni specifiche per controllare lo stato quantistico delle molecole e campi di microonde accuratamente sintonizzati per far ruotare gli atomi allo stesso modo delle molecole. "Poi rendiamo il frigorifero sempre più freddo, "dice Figlio, riferendosi agli atomi di sodio che circondano la nube delle molecole appena formate. "Riduciamo la potenza del laser di intrappolamento, rendendo la trappola ottica sempre più allentata, che abbassa la temperatura degli atomi di sodio, e raffredda ulteriormente le molecole, a 200 miliardesimi di kelvin."

Il gruppo ha osservato che le molecole erano in grado di rimanere a queste temperature ultrafredde fino a un secondo. "Nel nostro mondo, un secondo è molto lungo, " dice Ketterle. "Quello che vuoi fare con queste molecole è il calcolo quantistico e l'esplorazione di nuovi materiali, che tutto può essere fatto in piccole frazioni di secondo."

Se il team riesce a far sì che le molecole di sodio e litio siano circa cinque volte più fredde di quanto hanno ottenuto finora, avranno raggiunto un cosiddetto regime quantistico degenerato in cui le singole molecole diventano indistinguibili e il loro comportamento collettivo è controllato dalla meccanica quantistica. Son e i suoi colleghi hanno alcune idee su come raggiungere questo obiettivo, che comporteranno mesi di lavoro per ottimizzare il loro setup, così come l'acquisizione di un nuovo laser da integrare nella loro configurazione.

"Il nostro lavoro porterà alla discussione nella nostra comunità sul motivo per cui il raffreddamento collisionale ha funzionato per noi ma non per gli altri, Son dice:"Forse avremo presto delle previsioni su come altre molecole potrebbero essere raffreddate in questo modo".