Unikalne technologie kwantowe. Wkład naukowców z Torunia
Zespół naukowców z Uniwersytetu Mikołaja Kopernika w Toruniu opracował innowacyjną aparaturę badawczą, która pozwala prowadzić jedne z najdokładniejszych pomiarów w fizyce molekularnej. Wyniki badań prowadzonych przy jej użyciu zostały opisane na łamach prestiżowego czasopisma „Nature Physics”, co potwierdza znaczenie toruńskiego osiągnięcia dla światowej nauki.
Nowy system umożliwia prowadzenie eksperymentów w warunkach ekstremalnie niskich temperatur, dzięki czemu badacze mogą z niespotykaną dotąd precyzją analizować zachowanie cząsteczek oraz testować podstawowe założenia mechaniki kwantowej.
Urządzenie powstało w ramach prac prowadzonych w Krajowe Laboratorium Fizyki Atomowej, Molekularnej i Optycznej (KL FAMO). Badacze zbudowali niezwykle czuły spektrometr laserowy wykorzystujący tzw. wnękę optyczną. W praktyce jest to układ dwóch zwierciadeł o bardzo wysokiej zdolności odbijania światła, między którymi promień lasera może odbijać się wielokrotnie. Dzięki temu światło pokonuje w urządzeniu drogę liczącą nawet kilka lub kilkanaście kilometrów, mimo że cała aparatura ma znacznie mniejsze rozmiary. Tak długi czas oddziaływania światła z badaną substancją pozwala rejestrować bardzo słabe sygnały i prowadzić pomiary z niezwykłą dokładnością.
Najważniejszą innowacją toruńskich naukowców było przystosowanie tej technologii do pracy w głębokim reżimie kriogenicznym. Aparatura działa w temperaturze sięgającej około czterech kelwinów, czyli bliskiej zera absolutnego. W takich warunkach cząsteczki poruszają się znacznie wolniej niż w temperaturze pokojowej. Dzięki temu ich sygnały w widmie stają się wyraźniejsze i łatwiejsze do analizy, a zjawiska zakłócające pomiar, takie jak efekt Dopplera czy obecność zanieczyszczeń gazowych, ulegają znacznemu ograniczeniu. To sprawia, że badacze mogą obserwować subtelne efekty kwantowe, które w innych warunkach pozostają niewidoczne.
Aparatura została zaprojektowana tak, aby zapewnić maksymalną stabilność pomiarów. Wnęka optyczna znajduje się w specjalnej komorze próżniowej wykonanej z miedzi, a jej elementy są zawieszone na cienkich konstrukcjach z tytanu, które ograniczają dopływ ciepła i tłumią drgania. Nawet bardzo niewielkie wibracje mogłyby zakłócić pomiar, dlatego cały system został starannie odizolowany od wpływu otoczenia. W układzie wykorzystano także zaawansowane źródło światła laserowego oraz techniki stabilizacji częstotliwości, dzięki którym możliwe jest niezwykle precyzyjne dostrajanie promienia lasera.
Dokładność pomiarów zwiększa również wykorzystanie tzw. optycznego grzebienia częstotliwości – technologii umożliwiającej bardzo precyzyjne porównywanie częstotliwości światła. System ten jest połączony z maserem wodorowym, czyli jednym z najdokładniejszych zegarów atomowych, zsynchronizowanym z międzynarodowym standardem czasu. W praktyce oznacza to, że pomiary wykonywane w toruńskim laboratorium są odniesione do jednego z najbardziej precyzyjnych wzorców czasu na świecie.
Dane wykorzystywane przez astronomów i astrofizyków
Pierwsze eksperymenty przeprowadzono na cząsteczce molekularnego wodoru, najprostszej znanej molekule zbudowanej z dwóch protonów i dwóch elektronów. Z punktu widzenia fizyki jest to układ czterech oddziałujących ze sobą cząstek, który stanowi doskonały model do testowania teorii mechaniki i elektrodynamiki kwantowej. Dzięki nowej aparaturze naukowcy mogli badać kwantowe stany rotacyjne i wibracyjne tej cząsteczki z rekordową dokładnością, sprawdzając zgodność wyników eksperymentalnych z przewidywaniami teorii.
Badania tego typu mają ogromne znaczenie dla rozwoju nauk podstawowych, ale ich rezultaty mogą być wykorzystywane również w wielu praktycznych dziedzinach. Jednym z przykładów jest dostarczanie niezwykle dokładnych danych molekularnych wykorzystywanych przez astronomów i astrofizyków. Informacje o tym, w jaki sposób cząsteczki pochłaniają światło, są niezbędne do analizy składu atmosfer planet, księżyców czy odległych egzoplanet. Dzięki takim danym możliwe staje się określanie, jakie związki chemiczne występują poza Układem Słonecznym, a nawet poszukiwanie śladów warunków sprzyjających powstawaniu życia.
Opracowanie tej technologii pokazuje, że polskie ośrodki naukowe mogą tworzyć rozwiązania należące do światowej czołówki badań eksperymentalnych. Unikatowa aparatura otwiera drogę do nowych programów badawczych, które pozwolą lepiej zrozumieć zachowanie atomów i cząsteczek w warunkach ekstremalnych, jednocześnie dostarczając narzędzi, które mogą znaleźć zastosowanie w wielu dziedzinach nauki i technologii – od fizyki kwantowej, po chemię i astronomię.
Źródło: UMK w Toruniu
Czytaj też: Bezinwazyjne szacowanie czasu zgonu. Innowacja polskiego zespołu badawczego
Grafika tytułowa: ThisisEngineering / Unsplash
