براساس یک افسانه یونانی، خدایان به سیسیفیوس دستور دادند تا یک تکه سنگ‌ بزرگ را بارها و بارها به بالای یک تپه ببرد تا بازگشت این تکه سنگ‌ را به پایین ببینند. اکنون فیزیک‌دانان در آلمان از یک چنین فرآیندی برای سرد‌سازی مجموعه‌ای از مولکول‌های فلئورومتان (مولکولی با ۵ اتم) تا دمایی در حدود چند میلی کلوین استفاده می‌کنند. سردسازی مولکول‌هایی با بیش از دو اتم بسیار دشوار بود. اما اکنون با وجود چنین فرآیندهای سردسازی پیشرفت‌های شگرفی در شیمی، فیزیک ذرات بنیادی و حتی محاسبات کوانتومی بوجود خواهد آمد.

در طول دهه‌های اخیر، فیزیک‌دانان روش‌های گوناگونی برای سردسازی گازهای اتمی تا دمایی حتی کم‌تر از چند میلی کلوین (چند میلیونیوم کلوین) ارائه کرده‌اند. این فرآیندهای سردسازی پیشرفت‌های شگرفی را بوجود آورده است از جمله تولید شکلی شناخته شده از ماده تحت عنوان چگالش بوز-اینشتین که در آن همه ذرات در یک تک حالت کوانتومی هستند.

سردسازی ملکول‌ها تا چنین دماهای پایینی پیشرفت‌های بسیاری را به دنبال خواهد داشت. سردسازی مولکول‌ها می‌تواند در توسعه کامپیوترهای کوانتومی کاربرد داشته باشد به نحوی که برهم‌کنش قوی و پایدار بین بیت‌های کوانتومی از طریق نیرو‌های الکتریکی بلند-برد بین مولکول‌های قطبی با انرژی پایین بدست می‌آید. همچنین مولکول‌های سرد می‌توانند در فرآیندهای حساسی مورد استفاده قرار گیرند که بررسی این فرآیندها به کمک ذرات دارای انرژی بالاتر (ذرات گرم‌تر) غیر ممکن می‌باشد. فرایندهایی مثل استفاده از میدان‌های الکترومغناطیسی برای کنترل واکنش‌های شیمیایی در سطح مولکولی و هم‌چنین مشاهده اختلاف کوچک انرژی بین مولکول‌های کایرال^۱ راست‌گرد و چپ‌گرد (این اختلاف انرژی از یک عدم تقارن ذاتی در نیروی الکتروضعیف پیش‌بینی می‌شود) از این نوع فرآیندها هستند.

چرخش‌ها و ارتعاشات ناخواسته

از آنجایی ساختار مولکول‌ها در مقایسه با ساختار اتم‌ها پیچیده‌تر است، خیلی مشکل است که بتوان بوسیله تکنیک‌های کنونی، مولکول‌ها را نیز سرد کنیم. یکی از این تکنیک‌ها سردسازی به کمک لیزر است. به کمک این تکنیک می‌توان حرکت اتم‌های یک گاز ( کاهش گرمای گاز) را به وسیله فوتون‌هایی با تکانه در خلاف جهت حرکت اتم کند کنیم و به تبع آن گاز را سرد کنیم. حدود ۱۰.۰۰۰ برهمکنش از این نوع، برای سرد کردن هر اتم در گاز مورد نیاز است. در مقابل هر یک از این برهم‌کنش‌ها موجب چرخش یا ارتعاش مولکول خواهد شد.

با وجود این مشکلات محققان آمریکایی در سال ۲۰۱۰ موفق شدند گازی با مولکول‌های دو اتمی را به وسیله لیزر خنک کنند. در همین سال یک گروه آمریکایی دیگر با استفاده از روش دیگری تحت عنوان «سردسازی تبخیری» نتیجه‌ مشابه‌ای بدست آوردند. این روش به کمک آزادسازی ذرات با انرژی بسیار بالا، دمای گاز را کاهش می‌دهد. اما گفتنی است روش سردسازی جدید که توسط جرارد رمپ و همکارانش در مؤسسه ماکس پلانک (نتیجه کارشان در مجله نیچر چاپ شده است) ارئه می‌شود، مولکول‌های با ۵ اتم را نیز سرد می‌کند.

این گروه گازی از مولکول‌های فلوئورومتان را بررسی کرد. مولکول ‌فلوئورو‌متان از سه اتم هیدروژن، یک اتم کربن و یک اتم فلوئور تشکیل شده است. در عوض گروه رِمپ به جای استفاده از ضربه‌های کوچک تک فوتون‌ها برای کند کردن حرکت ذرات در گاز، از انرژی زیاد ذخیره شده در یک میدان الکتریکی خارجی استفاده می‌کند. برای این منظور آن‌ها نمونه را در یک «تله الکتریکی» قرار می‌دهند. منظور از تله آرایه‌ای متشکل از دو صفحه خازنی موازی هر کدام با ابعاد ۲ سانتی ‌متر و ۴ سانتی متر است که در فاصله ۳ میلی متر از هم قرار دارند. الگوی میدان الکتریکی درون صفحات به شکلی است که میدان در وسط دوصفحه یکنواخت است اما هرچه به صفحات نزدیک‌تر می‌شویم اندازه میدان بزرگ می‌شود.

بالا رفتن از چاه

در ابتدا مولکول‌ها به وسیله برهم‌کنش با میدان الکتریکی در مرکز تله الکتریکی نگه داشته می‌شوند. سپس با تاباندن یک لیزر مادون قرمز درون تله الکتریکی (ناحیه قرمز شکل را ببینید) مولکول‌ها به یک حالت ارتعاشی برانگیخته می‌شوند. آنگاه این مولکول‌ها به طور خودبه‌خودی به یک حالت چرخشی با انرژی متوسط واپاشی می‌کنند. چاه پتانسیل مولکول‌ها در این حالت از چاه پتانسیل مولکول‌ها در حالت اولیه عمیق‌تر است. سپس در تصور مولکول‌ها «از چاه بالا می‌روند». در نهایت با تاباندن باریکه‌ای از میکروویو‌ها مولکول‌ها را مجبور می‌کنیم به انتهای چاه سقوط کنند. وقتی ملکول‌ها به انتها چاه رفته‌اند انرژی جنبشی‌شان نسبت به حالتی با انرژی متوسط کم‌تر است^۲. این بدین معنی است که انرژی مولکول‌ها کم شده است. اگر این فرآیند را چندین بار تکرار کنیم خواهیم دید که مولکول‌ها تا دماهای بسیار پایین سرد می‌شوند.

محققان می‌توانند یک میلیون مولکول فلوئورومتان را با تقریباً ۱۲ بار تکرار این روش سردسازی تا دمای ۳۰ میلی کلوین سرد کنند. در تفسیر مقاله مربوط به این تکنیک سردسازی، جان بری و دیوید دِمیل از دانشگاه ییل می‌گویند: این تعدادِ کم تکرار بسیار مهم و در عین حال تعیین کننده بود چون که حتی اگر در هر تکرار حدود ۱۰ درصد نمونه به واسطه ارتعاش‌ها و چرخش‌های ناخواسته مشکل پیدا می‌کرد، باز با این حال مولکول‌ها سرد شدند.

                                 سیسیفیوس برای قرن ۲۱

رودی گریم از دانشگاه اینزبروک در استرالیا می‌گوید: با اینکه فیزیک‌دانان به دنبال دستیابی به یک روش سردسازی مولکولی کار‌آمد بودند این کار توسط گروه آلمانی به شکل بسیار خوبی انجام شد. در ضمن ولفگانگ کِتل از مؤسسه ماساچوست می‌گوید: این تکنیک سردسازی مولکولی به همراه دیگر روش‌های سرسازی نوظهور او را بسیار تحت تأثیر قرار داده است. او می‌گوید: با این تکنیک‌های سردسازی دری به سوی شیمی فرا سرد گشوده خواهد شد.

عبور از سد ۳ میلی کلوین

۱- اگر تصویر مولکولی با تصویر آینه‌ای آن قابل انطباق نباشد، آن مولکول کایرال نامیده می‌شود. 

۲- هدف از فرستادن مولکول‌ها به انتهای چاه پتانسیل این است که حالت‌های ارتعاشی و چرخشی مولکول‌ها را به حالت پایه ببریم (اعداد کوانتومی چرخشی j  و ارتعاشی n در این حالت صفر است).

منبع: