Des leaders dans le domaine de la recherche sur les molécules ultrafroides des universités Columbia et Harvard s'associent pour faire progresser la compréhension de la mécanique quantique des réactions chimiques.

Le partenariat se traduira par le développement de nouveaux, des techniques plus précises qui élargiront le domaine de la chimie ultrafroide à un éventail actuellement inaccessible d'espèces et de réactions moléculaires, permettant de nouvelles générations d'expériences en physique fondamentale.

« Nous sommes très enthousiasmés par cette collaboration car nous combinons deux directions de recherche qui se sont développées séparément et peuvent désormais être réunies pour développer un nouvel ensemble d'outils pour les physiciens et les chimistes, " a déclaré Tanya Zelevinsky, professeur agrégé d'Atomic, Physique moléculaire et optique et chercheur principal du laboratoire Z de l'Université Columbia.

Ces dernières années ont apporté l'avancement des technologies quantiques, y compris les capacités de refroidissement laser, qui ont permis l'étude des atomes au microkelvin, ou proche de zéro, températures. Dans cet état, les scientifiques sont capables de manipuler et d'étudier l'influence des statistiques quantiques, géométrie de confinement, et les champs magnétiques - des caractéristiques non classiques inaccessibles dans les configurations à température ambiante - sur le comportement d'un atome.

Les expérimentateurs savent depuis des années que les mesures ultrasensibles effectuées sur des atomes ou des molécules ultrafroids peuvent révéler certains des secrets désormais cachés de la nature, comme si les « constantes de la nature » ​​sont réellement constantes ou changent avec le temps.

Les scientifiques ont réussi à utiliser le refroidissement laser pour étudier de nombreux types d'atomes, cependant des atomes de l'intérêt chimique le plus important pour les chercheurs, comme l'hydrogène, oxygène, et de l'azote, n'ont pas les propriétés requises pour le refroidissement direct. Des techniques entièrement nouvelles sont nécessaires pour explorer la chimie ultrafroide impliquant ces espèces.

Dans un effort pour surmonter ce défi, les chercheurs commencent à se concentrer sur la création de molécules ultrafroides contenant ces atomes cibles. Développer et appliquer ces techniques est l'objectif d'un nouveau projet financé par la Fondation W. M. Keck.

Chercheur principal Zelevinsky et co-chercheur John Doyle, à Harvard, ont reçu une subvention d'un million de dollars sur trois ans pour faire passer leur travail au niveau supérieur en développant une installation expérimentale qui ouvrira le domaine de la chimie ultrafroide à un éventail beaucoup plus large d'espèces et de réactions atomiques et moléculaires.

Pour relever le défi du refroidissement des molécules, les chercheurs abordent le problème sous un angle nouveau. Zelevinsky a expliqué que la fixation de certains atomes métalliques, comme le calcium, permet à certaines molécules d'être refroidies par la lumière laser.

Le plan de l'équipe est de créer une gamme de molécules avec cet attachement métallique, appliquer de la lumière laser pour refroidir les molécules à des températures qui étaient jusqu'à présent irréalisables, puis d'utiliser une lumière laser supplémentaire pour découper l'atome de métal dans un processus appelé photodissociation. Cette technique permettra la manipulation du mouvement et des liaisons chimiques de molécules plus complexes pour créer une variété d'espèces de molécules ultrafroides hautement souhaitables, mais jusqu'ici inaccessible, aux chercheurs, poussant ainsi le champ dans un nouveau territoire.

Le potentiel du projet est incommensurable.

"Il y a tellement de choses que ces molécules vont nous aider à comprendre, " Zelevinsky a dit, ajoutant que l'étude des réactions chimiques impliquant des molécules polyatomiques à des températures ultrafroides ouvrira de nouvelles voies pour tester la compréhension actuelle des symétries fondamentales et des lois de la nature, y compris des choses sur notre univers que les scientifiques ne peuvent pas encore expliquer, comme le déséquilibre matière-antimatière, énergie noire, et les environnements interstellaires. La recherche fournira également des molécules pour des expériences sur table qui nécessitent traditionnellement des accélérateurs de plusieurs milliards de dollars.

"C'est vraiment un gros gain de pouvoir faire ce genre de physique sans dépenser des milliards pour un accélérateur, " a-t-elle dit. " Faire de la chimie dans le régime très fondamental a un sens de la beauté auquel les gens peuvent s'identifier. Lorsque la physique quantique des atomes a été élaborée pour la première fois, personne n'aurait pu imaginer les nombreuses façons dont il serait utilisé dans notre vie quotidienne aujourd'hui. Molécules - elles peuvent vibrer et tourner, et sont plus riches que les atomes. Il y en aura beaucoup, bien d'autres applications que nous ne pouvons même pas imaginer pour le moment."