Rekord: Danske forskere fremstiller ultrakolde molekyler
Det er lykkedes danske forskere at afkøle et enkelt molekyle så meget, at det ligger næsten fuldstændigt stille. Den nyudviklede teknik kan blive et vigtigt værktøj til at forstå molekylers opførsel og udvikle kvantecomputere.

Det er lykkedes danske forskere at udvikle en ny teknik, som kan gøre atomer og molekyler ultrakolde. (Illustration: Alex Gingell)

Der foregår mystiske ting, når man zoomer helt ind på Jordens mindste bestanddele.

Atomer og molekyler farer konstant rundt i rummet, laver pirouetter, vibrerer og roterer om sig selv.

Kort sagt er Jordens mindste bestanddele nogle 'vildbasser', og det gør livet svært for forskere, som ønsker at studere og kontrollere dem.

Nu er det imidlertid lykkedes forskere fra Aarhus Universitet at udvikle en ny teknik, som kan afkøle de vilde molekyler og få dem til at være næsten fuldstændig i ro.

»De har vist, at teknikken virker, og det giver dem et fremragende redskab, som vil sætte dem i stand til at lave mange spændende eksperimenter fremover. Det åbner for en masse muligheder, fordi de nu har langt bedre kontrol, end man hidtil har haft over molekylerne,« lyder vurderingen fra professor Anders Sørensen fra afdelingen for Ultrakolde atomer og kvanteoptik ved Niels Bohr Institutet på Københavns Universitet.

Han forsker selv i køling af Jordens mindste bestanddele, men han har ikke været en del af den nye undersøgelse, som netop er publiceret i det videnskabelige tidsskrift Nature.

Atomer og molekyler er ustyrlige

For at forstå den nye undersøgelse skal du måske ruske lidt op i hukommelsen og tænke tilbage på, hvad du har lært i skolens fysiktimer.

Her lærte du formentlig, at varme får molekyler og atomer til at bevæge sig – jo varmere det er, des mere farer de rundt i rummet.

Hvis man køler atomerne og molekylerne ned til det absolutte nulpunkt – altså en temperatur på minus 273 grader Celsius, svarende til 0 graders Kelvin – så står de imidlertid helt stille.

I praksis er det dog nærmest umuligt for forskerne at få gjort molekyler så kolde, at de er helt uden bevægelse.

Fakta

Et atom udgør den mindste del af et grundstof.

Atomet er blandt andet opbygget af protoner (partikler med en positiv elektrisk ladning), elektroner (partikler med en negativ elektrisk ladning), og neutroner (som er neutrale i forhold til elektrisk ladning).

Et molekyle er opbygget af to eller flere atomer – enten fra det samme eller forskellige grundstoffer.

En atomar ion er et atom, som har mistet eller optaget en eller flere elektroner.

En molekylær ion er et molekyler, som har mistet eller optaget en eller flere elektroner.

Men verden over arbejder forskerne på at opnå denne fuldstændig stille tilstand, og en udbredt metode til at afkøle og stoppe atomer og molekylers bevægelse er at gøre brug af laserlys (se faktaboks for detaljer).

Laserlys kan få ro over atomer

Ved hjælp af laserlys kan forskerne nemlig opnå at 'fastfryse' de små bestanddele til bestemte punkter i rummet, men generelt er problemet, at molekylerne stadig står og vibrerer eller roterer om sig selv, fortæller professor Michael Drewsen.

»De er lokaliseret til et bestemt punkt, men de står stadig og vibrerer og laver pirouetter om sig selv. Man kan sige, at molekylerne sidder fast i en struktur, som er kold, mens de danser rundt om sig selv,« forklarer Michael Drewsen, som er hovedforfatter på den nye undersøgelse og professor ved Institut for Fysik og Astronomi på Aarhus Universitet.

I sin nye undersøgelse har Michael Drewsen netop brugt laserkøling til at få positivt ladede molekyler og atomer til at stå stille og samle sig i en særlig struktur – en såkaldt coulomb-krystal.

»Atomerne og molekylerne køles til en temperatur, som svarer til en hundrededel grad over det absolutte nulpunkt. Så de er lokaliseret ufattelig godt,« forklarer Michael Drewsen.

Kold gas stopper molekylernes dans

Selvom molekylerne og atomerne i den nye undersøgelse altså blev godt fastfrosne på bestemte positioner, så roterede og vibrerede molekylerne fortsat på hver deres position.

For at få dem til at stoppe disse bevægelser gjorde Michael Drewsen brug af en anden kendt afkølingsteknik – nemlig at sende en ultrakold helium-gas ind mod molekylerne.

»Det lykkedes for os at holde molekylerne lokaliseret i denne her krystalstruktur samtidig med, at vi kunne sende en kold gas ind på dem. Det er en meget tynd, kold gas, som nedkøler molekylernes rotation og vibration gennem kollisioner,« forklarer Michael Drewsen.

Danske forskere sætter rekord

I deres eksperimenter kunne forskerne både få kontrol med et enkelt molekyle og en række molekyler og atomer på én gang.

»Vi kunne lave et eksperiment på et enkelt molekyle, som var lokaliseret inden for ganske få mikrometer.« (1 mikrometer svarer til 0,001 millimeter, red.)

Illustrationen viser, hvad forskerne har gjort i den nye undersøgelse: Eksperimentet foregår i et vakuumkammer under ekstremt lavt tryk. Ved hjælp af nogle elektroder (guldfarvede) indfanger forskerne både positivt ladede magnesium-atomer (atomare ioner) og molekylære ioner. De molekylære ioner består af et magnesium-atom (blå kugle) forbundet med et brintatom (grøn kugle). Ved hjælp af et laserlys kan forskerne køle de atomare ioner. De molekylære ioner støder nu ind i de laserkølede atomare ioner, og herved bliver ionerne ’fastlåst’ til bestemte pladser i rummet – de holder altså op med at fare rundt i vakuumkammeret. Herefter sendes en kold heliumgas ind på de molekylære ioner, hvilket næsten får dem til at holde op med at vibrere og rotere. Heliumgassens atomer er illustreret med lilla. (Illustration: Alex Gingell)

»Og samtidig havde molekylet en rotations-temperatur på omkring syv graders Kelvin - det er det laveste, som er opnået overhovedet ved denne her teknik,« fortæller Michael Drewsen.

I deres eksperimenter brugte forskerne et molekyle, som bestod af to atomer – nemlig et magnesiumatom og et brintatom.

Det lille molekyle havde mistet en af sine elektroner, og dermed havde molekylet samlet set en positiv elektrisk ladning – med andre ord var der tale om en molekylær ion.

Teknikken kan bruges på mange molekyler

Selvom eksperimenterne indtil videre kun er udført på de simple magnesium-brint-molekyler, så mener Michael Drewsen, at metoden nemt vil kunne overføres til andre typer af molekyler.

»Teknikken burde ikke blot virke på præcis det molekyle, vi har valgt at arbejde med, men på en stor skare af molekylære ioner.«

»At vores artikel er kommet i Nature skyldes, at eksperimentet kan vise sig at blive skelsættende for, hvordan man fremover kommer til at lave studier af kolde molekylære ioner,« mener Michael Drewsen, som henviser til, at Nature er et af verdens mest prestigefyldte videnskabelige tidsskrifter.

Molekyler er mere besværlige end atomer

Professor Anders Sørensen fra Københavns Universitet er enig i, at den nye teknik kan vise sig at blive et vigtigt værktøj til studier af kolde molekyler.

Han forklarer, at studiet af ultrakolde molekyler generelt er mere besværligt end studiet af ultrakolde atomer (se faktaboks for forskellen på atomer og molekyler).

»Det er nemmere at få kontrol over atomer end molekyler. Den primære grund er, at atomer ikke roterer.«

»For at kunne kontrollere molekyler har rotationen hele tiden været den irriterende faktor, som forskerne ikke har kunnet kontrollere. Det er der, de er kommet et stort skridt videre med denne her teknik,« forklarer professor Anders Sørensen.

Hvad kan det bruges til?

Fakta

Køling med laserlys og heliumgas

Laserlys kan afkøle atomare ioner, så de ikke længerere farer rundt i rummet.

Laserlyset stopper imidlertid ikke molekylære ioners bevægelser direkte – men det kan opnås indirekte, ved at de molekylære ioner støder ind i de laserkølede atomare ioner.

Kollisionen med de atomare ioner køler de molekylære ioner, så de ikke længere farer rundt i rummet.

Men problemet med molekylære ioner er, at de – modsat atomare ioner – også kan rotere og vibrere, selvom laserlyset har fået dem til at være fastlåst til en bestemt position.

I den nye undersøgelse har forskerne løst dette problem ved at sende en kold heliumgas ind mod de molekylære ioner. Kollisionen med heliumgassen stopper næsten de molekylære ioners rotation og vibration.

Aarhus-forskeren Michael Drewsen har stået i spidsen for undersøgelen, som er udført i samarbejde med Max-Planck-Institut für Kernphysik i Heidelberg, Tyskland.

Kilde: Michael Drewsen

Men hvad kan man så bruge den nyudviklede teknik til?

Forskerne forklarer, at der først og fremmest er tale om et værktøj, som vil kunne bruges til at 'fastfryse' og kontrollere molekyler for på den måde at opnå større viden om molekylerne.

»For små molekyler er det spørgsmålet om at studere nogle fundamentale fysiske egenskaber ved molekylerne. For større molekyler gælder det for eksempel om at få styr på uafklarede mekanismer omkring energitransport i enkelte molekyler.«

»Det smarte ved vores teknik er, at vi på en simpel måde selv kan bestemme, hvor kold molekylernes indre temperatur skal være. Vi kan tune temperaturen fra 7 kelvin op til 60 kelvin på en meget simpel og kontrolleret facon,« forklarer Michael Drewsen.

Kan blive nyttigt for kvantecomputere

Både Michael Drewsen og Anders Sørensen påpeger desuden, at den nyudviklede teknik måske kan vise sig at blive nyttig i udviklingen af såkaldte kvantecomputere – en form for supercomputere, som forskere verden over arbejder på at udvikle.

Anders Sørensen forklarer, at hvis en kvantecomputer i fremtiden kan blive i stand til at gemme sine informationer i enkelte atomer eller molekyler, så åbner det for helt nye muligheder og beregninger, som nutidens computere ikke kan klare.

»Men det kan kun lade gøre, hvis man har fuldstændig kontrol over atomer og molekyler. Derfor kan den nye teknik være et skridt på vej til at kunne gemme informationer i molekyler.«

»Men der er stadig lang vej til at få fuldstændig kontrol over molekylerne - de roterer for eksempel stadigvæk lidt,« lyder det fra Anders Sørensen.

Om det vil lykkes for forskerne at få Jordens mindste vildbasser til at holde sig fuldstændig i ro, må fremtiden vise.

Ugens Podcast

Lyt til vores ugentlige podcast herunder eller via en podcast-app på din smartphone.