Τα μόρια των αερίων μπορούν να συνδέονται μεταξύ τους από απόσταση 

Από την ιστοσελίδα Physical Review FOCUS, Φεβρουάριος 2003

Οι πειραματικοί φυσικοί μπορούν πιθανόν να δημιουργήσουν μια νέα μοριακή κατάσταση στα υπέρψυχα αέρια, σύμφωνα με μια νέα θεωρία που δημοσιεύτηκε στο τεύχος της 21ης Ιανουαρίου του περιοδικού Physical Review. Σε χαμηλή θερμοκρασία, και με την παρουσία ηλεκτρικού πεδίου, δύο πολικά μόρια θα μπορούσαν να σχηματίσουν έναν ασθενή σύνδεσμο, ώστε να δημιουργήσουν ένα σούπερ-μόριο, ενώ παραμένουν σε κάποια απόσταση μεταξύ τους. Η δημιουργία μιας τέτοιας κατάστασης θα έδινε στους ερευνητές, ένα νέο εργαλείο για την μελέτη των διαμοριακών αλληλεπιδράσεων. 

Ελκόμενες μαγνητικές βελόνες. Τα πολικά μόρια έλκουν ή απωθούν το ένα το άλλο σαν μαγνητικές βελόνες, ανάλογα με τον προσανατολισμό τους.Σε ένα υπερ-ψυχρο αέριο, τα πολικά μόρια θα μπορούσαν να συζευγνύονται και να σχηματίζουν ασθενικά συνδεδεμένα σούπερ μόρια.  

Τα δύο πολικά μόρια δρουν σαν δύο μαγνητικές βελόνες πυξίδας, οι οποίες είναι μικροί μαγνήτες. Όταν οι βελόνες είναι πολύ μακριά η μία από την άλλη, και οι δύο δείχνουν προς τον Βορρά, αλλά καθώς πλησιάζουν, οι μαγνητικές διπολικές δυνάμεις μεταξύ τους υπερισχύουν και κάνουν τις βελόνες να έλκονται και να προσανατολίζονται η μια με την άλλη κατά τρόπο ώστε ο Βόρειος πόλος της μιας να βρίσκεται κοντά με τον Νότιο της άλλης. Παρόμοια, τα δύο μόρια με τα ηλεκτρικά τους δίπολα έλκονται μεταξύ τους. "Η δημιουργία αυτού της κατάστασης σύνδεσης μέσω εξωτερικού ηλεκτρικού πεδίου," λέει ο John Bohn του πανεπιστημίου του Colorado στο Boulder, "ουσιαστικά σημαίνει την παρεμπόδιση των μορίων από το να πέσει το ένα πάνω στο άλλο." 

Ο Bohn και ο συνάδελφός του στο Boulder Alexander Avdeenkov κάνουν την θεωρητική πρόβλεψη, ότι αυτή η "σύσφιγξη" μπορεί να προκύπτει από την ισορροπία μεταξύ μιας ελκτικής και μιας απωστικής δύναμης. Καθώς τα δύο μόρια ευθυγραμμίζονται  πλησιάζοντας τους αντίθετους πόλους,  υπάρχει κάποια πιθανότητα το ένα να αντιστρέψει τον προσανατολισμό του και δημιουργηθεί μια άπωση. Αν τα μόρια αρχίσουν να κινούνται αποχωριζόμενα, το ένα μπορεί να αντιστρέψει ξανά τον προσανατολισμό του και να δημιουργήσει μια νέα έλξη κ.ο.κ. 

Με την παρουσία κάποιου εξωτερικού ηλεκτρικού πεδίου, υπάρχει μια συγκεκριμένη απόσταση όπου μπορούν να συμβούν αυτές οι αντιστροφές - εκεί όπου η ενέργεια της ελκτικής και της απωστικής δύναμης είναι ίσες. Δύο μόρια που αντιστρέφουν τους προσανατολισμούς τους συνεχώς στην απόσταση αυτή, από όμοιους πόλους σε αντίθετους πόλους και αντίστροφα, σχηματίζουν το σταθερό σούπερ μόριο. Η κβαντομηχανική λέει ότι υπάρχει πάντα κάποια πιθανότητα, να συμβούν αυτές οι αντιστροφές και θεωρεί αυτή τη δέσμια κατάσταση των δύο μορίων ως μια νέα κβαντική κατάσταση. Οι Bohn και Avdeenkov βρήκαν ότι υπάρχει αρκετά υψηλή πιθανότητα τα μόρια να παραμείνουν συνδεδεμένα για κάποιο χρόνο, σε απόσταση δεκάδων ή εκατοντάδων νανομέτρων. Η απόσταση αυτή είναι πολύ μεγαλύτερη από το 1/10 του νανομέτρου που είναι το μέγεθος ενός μεμονωμένου μορίου. Οι ιδιότητες της συνδεδεμένης μέσω του πεδίου κατάστασης, περιλαμβανομένης της ενέργειας σύνδεσής τους, και της απόστασης μεταξύ των μορίων, εξαρτώνται αποκλειστικά από την ένταση του ηλεκτρικού πεδίου. 

Οι Bohn και Avdeenkov εφάρμοσαν την θεωρία τους σε μόρια OH, αλλά αναμένουν ότι ισχύει επίσης και για άλλα πολικά μόρια. Το κλειδί για την πρακτική εφαρμογή τη θεωρίας είναι να ψυχθεί το αέριο σε θερμοκρασία κάτω από τον 1 βαθμό kelvin. Το ιδανικό θα ήταν να ψυχθεί στην περιοχή των μικροkelvin. Μέχρι σήμερα η πιο ψυχρή θεμελιώδης κατάσταση μορίων έχει σχηματιστεί σε θερμοκρασία ενός εκατοστού του Kelvin. 

Μια πιθανή εφαρμογή της νέας αυτής κατάστασης μορίων θα ήταν π.χ. να κρατηθούν τα μόρια σε συγκεκριμένη απόσταση στην κατάσταση αυτή μέσα σε εξωτερικό ηλεκτρικό πεδίο, στη συνέχεια να καταργηθεί το πεδίο ώστε να πλησιάσουν ελεύθερα το ένα με το άλλο και να μελετηθεί η σύγκρουσή τους. 

Αναφορά : Phys. Rev. Lett. 90, 043006