Nauki ścisłe [2022-04-15]

Rozmowy z molekułami

— Żaneta Kopczyńska

Kilkaset kilogramów czystej miedzi, próżnia w próżni, temperatury poniżej pięciu kelwinów i ultradokładny laser – toruńskim fizykom udało się skonstruować unikalny w międzynarodowej skali system pozwalający przenieść wiodące technologie spektroskopii laserowej w reżim temperatur kriogenicznych.

System ma na celu badanie teorii kwantowej dla molekuł na niespotykanym dotąd poziomie dokładności. Za zadanie odpowiada dr hab. Piotr Wcisło, prof. UMK z Katedry Fizyki Atomowej, Molekularnej i Optycznej na Wydziale Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej UMK.

Mamy szansę zbadać strukturę najprostszych cząsteczek na poziomie, który dotąd był właściwie nieosiągalny – tłumaczy prof. Piotr Wcisło. – Dlaczego to takie istotne? Ponieważ najprostsze molekuły są niezwykle ważne dla badań podstawowych. Po pierwsze, ich struktura może być wyliczona z zasad pierwszych, a co za tym idzie, mogą one być użyte do testowania nie tylko zasad mechaniki kwantowej, ale też elektrodynamiki kwantowej dla molekuł. Po drugie zaś najprostsze molekuły mogą być wykorzystywane jako swoiste czujniki nowych hipotetycznych oddziaływań w przyrodzie.

Prosta molekuła

Zespół fizyków zamierza skupić się na najprostszej cząsteczce, czyli molekularnym wodorze.

- Z fizycznego punktu widzenia molekuła wodoru jest układem dwóch połączonych ze sobą masywnych cząstek, które można wprawiać w oscylację oraz nadawać im pewną rotację. Należy jednak pamiętać, że układ taki jest obiektem mikroskopowym i podlega prawom mechaniki kwantowej, a nie mechaniki klasycznej. Zatem zamiast mówić o klasycznych obrotach i wibracjach, mówimy o kwantowych stanach rotacyjno-wibracyjnych (lub w skrócie stanach rowibracyjnych) – tłumaczy prof. Wcisło. - Zasadniczą różnicą między opisem klasycznym i kwantowym jest to, że kwantowe stany związane mogą przyjmować tylko ściśle określone dyskretne wartości energii. Najbardziej powszechną metodą badania takich stanów jest spektroskopia molekularna, która polega na umieszczeniu molekuł w polu fali elektromagnetycznej i obserwowaniu, jakie częstości są absorbowane.

Wartości tych częstości, nazywane położeniami linii spektralnych, dają informację o wewnętrznej strukturze i dynamice molekuły.

Więcej danych można uzyskać, badając nie tylko położenia linii, ale też ich kształt. W tym celu naukowcy wykorzystują wnękę optyczną, czyli układ dwóch zwierciadeł o niezwykle wysokim współczynniku odbicia i bardzo małych stratach energii.

- Wnęka taka pozwala uwięzić światło na długi czas, co sprawia, że droga przebyta przez światło sięga kilku lub nawet kilkunastu kilometrów – ono się po prostu odbija od zwierciadła do zwierciadła – wyjaśnia prof. Wcisło. - W efekcie sygnał pochodzący z oddziaływania światła z molekułami jest istotnie wzmocniony, co umożliwia dokładne badanie kształtów linii spektralnych.

Unikat na skalę światową

By przyjrzeć się jak najdokładniej molekule wodoru, skonstruowano unikatowy system urządzeń – spektometr optyczny pracujący w warunkach kriogenicznych dochodzących do 5 kelwinów, sprzęgnięty ze źródłem laserowym o bardzo dużej mocy.

- Konstrukcja spektometru bazuje na wnęce optycznej o niezwykle wysokiej finezji - tłumaczy prof. Wcisło. - Sama wnęka również będzie schładzana do temperatur kriogenicznych – już wkrótce zostanie przeniesiona do komory próżniowej.

Cały system urządzeń jest bardzo skomplikowany. Także wizualnie - na pierwszy plan wysuwa się duża i bardzo ciężka komora próżniowa - beczka. Istotną częścią składową układu są także kilkusetkilogramowe sekcje zbudowane z czystej miedzi. Po drugiej stronie znajduje się kriokuler, do którego pod dużym ciśnieniem wpompowywany jest hel – to obecnie najlepszy technologicznie sposób wytwarzanie temperatur kriogenicznych. W czasie tego procesu wytwarzane są drgania, dlatego w laboratorium słychać ciągłe rytmiczne pulsowanie.

Z jednej strony mamy więc kriokuler, z drugiej zaś ultrastabilną wnękę optyczną, która żeby dobrze pracować, nie może mieć najmniejszych drgań. Stąd właśnie pomiędzy nimi znajdują się ciężkie, ciągle huśtające się miedziane bloki, które dobrze przewodzą ciepło, a przez to, że są ciężkie, tłumią wibracje – wyjaśnia prof. Wcisło. - To jest właśnie coś, czego nasza konkurencja nie ma.

Drugą, nie mniej istotną częścią systemu, jest aparatura laserowa pochodząca od wiodącego na świecie producenta, ale specjalnie dostosowana do potrzeb toruńskich fizyków.

- Mówiąc w skrócie, działa to w taki sposób: mamy laser pompujący, którego światło jest wzmacniane do bardzo dużej mocy. W laserze znajduje się także główny oscylator, w którym foton możemy podzielić na dwa fotony – mówi prof. Wcisło.  - W ten sposób możemy uzyskać częstotliwość czyli barwę, fotonu, która jest zoptymalizowana pod kątem badania molekularnego wodoru. To kolejna rzecz, w której mamy przewagę nad naszymi konkurentami.

Warto wspomnieć, że system laserowy skonfigurowany jest z infrastrukturą w Instytucie Fizyki UMK – wszystkie laboratoria są połączone nazywaną przez toruńskich naukowców "autostradą światłowodową", dzięki czemu każdy z zainteresowanych może korzystać z możliwości, które daje wspomniany system laserowy.

Fizycy z UMK maja konkurencję z Chin i Amsterdamu – mimo iż grupy te skonstruowały i używają podobnej aparatury już od jakiegoś czasu, ma ona mniejsze możliwości: ich układy nie potrafią schłodzić się tak bardzo oraz charakteryzują się większymi szumami. Dlatego to zespół z UMK może liczyć na precyzyjniejsze wyniki badań prostych molekuł.

Pogadać z molekułą

Temperatury kriogeniczne nie są ściśle zdefiniowane, zwykle przyjmuje się za graniczne te poniżej -150 st. C (123 K). Dlaczego osiągnięcie tak niskich wartości temperatur jest ważne dla fizyków z UMK?

Problemem przy badaniu fizyki molekuł jest to, że się bardzo szybko poruszają. Chodzi więc o to, by je spowolnić tak bardzo, jak tylko się da – mamy wtedy lepszą kontrolę nad nimi, łatwiej nam się z nimi "rozmawia" – mówi prof. Wcisło. - W fizyce jest tak, że coś możemy dokładniej zmierzyć wtedy, gdy dłużej na to patrzymy. To jest właśnie przypadek zasady nieoznaczoności – tj. rozmycie energii jest małe, jeśli rozmycie w czasie jest duże.

Już wkrótce wnęka optyczna zostanie zamontowana wewnątrz komory próżniowej, do której przez szafirowe okno (szafir bardzo dobrze wytrzymuje warunki kriogeniczne – red. ) także zostanie doprowadzone światło z lasera. Dzięki ogromnemu schłodzeniu – do ok. 5 K, tj. ok. -260 st. C, a co za tym idzie, spowolnieniu molekuły wodoru, fizycy będą w stanie więcej dowiedzieć się o jej własności chemicznych i fizycznych, takich jak struktura, oddziaływania między cząsteczkami i atomami oraz przede wszystkim wykorzystać to do badania zderzeń molekuł.

- To jest nasz trzon, nasze oczko w głowie, ale badania te pociągają za sobą całą kaskadę innych badań na pograniczu fizyki i chemii. Mówiąc "chemia" mam na myśli taką, którą można policzyć z zasad pierwszych, taka właśnie mnie interesuje – nie fenomenologiczna, a taka, którą można policzyć z praw mechaniki kwantowej – wyjaśnia prof. Wcisło.

Nowa Fizyka

- Jak się weźmie zwykłą mechanikę kwantową i policzy strukturę molekularną wodoru to możliwości zwykłej mechaniki kwantowej kończą się mniej więcej na piątym miejscu znaczącym (w zapisie dziesiętnym danej liczby wszystkie cyfry z wyjątkiem początkowych zer. Np. liczba 15,00279 ma siedem cyfr znaczących: 1, 5, 0, 0, 2, 7, 9, a liczba 0,0049 - dwie cyfry znaczące: 4 i 9 -red.). A my, dzięki skonstruowanemu systemowi, jesteśmy w stanie zmierzyć 10 miejsc – czyli 100 tys. razy lepiej – mówi prof. Wcisło. – Tutaj należy się dłuższe wyjaśnienie: próżnia, w której zamierzamy umieścić molekuły wodoru, nie jest tak naprawdę pustą przestrzenią. Próżnia jest obiektem kwantowym – mówi o tym właśnie elektrodynamika kwantowa, według której w próżni cały czas powstają wirtualne fotony. Na bardzo krótki czas. I znikają. Może dla niektórych brzmi to jeszcze jak science fiction, ale my w naszym laboratorium ewidentnie to widzimy: wirtualne fotony zaburzają strukturę naszej molekuły. Stąd właśnie te różnice w obliczeniach miejsc znaczących: biorąc pod uwagę te zaburzenia jesteśmy w stanie zmierzyć 10, a nie 5 miejsc znaczących.

Rodzi się niezwykle interesujące pytanie: w którym miejscu przestanie działać elektrodynamika kwantowa i będziemy mogli szukać Nowej Fizyki. To właśnie na tym polega cały wyścig między laboratoriami – mówi prof. Wcisło.

* Opisana tu aparatura badawcza finansowana jest z: Programu Duża infrastruktura badawcza Ministerstwa Edukacji i Nauki, Narodowego Laboratorium Fotoniki i Technologii Kwantowych oraz grantów badawczych Narodowego Centrum Nauki

Dr hab. Piotr Wcisło, prof. UMK, jest absolwentem Międzywydziałowych Indywidualnych Studiów Matematyczno-Przyrodniczych (specjalność fizyka atomowa) w Uniwersytecie Jagiellońskim w Krakowie. Pracę doktorską zrealizował w Instytucie Fizyki Uniwersytetu Mikołaja Kopernika w Toruniu, gdzie jest zatrudniony od 2015 r. Ma za sobą 6-miesięczny staż w Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics w Cambridge w Stanach Zjednoczonych, miesięczną wizytę w Vrije Universiteit w Amsterdamie, a także liczne krótsze wyjazdy naukowe, m.in. do Francji i Włoch. W latach 2018-19 pracował w laboratoriach prestiżowego JILA (Joint Institute for Laboratory Astrophysics, a joint institute of The University of Colorado Boulder USA and the National Institute of Standards & Technology).

Jest laureatem wielu nagród i wyróżnień, m.in. nagrody im. prof. Stanisława Pieńkowskiego za osiągnięcia w dziedzinie fizyki eksperymentalnej (2015) oraz nagrody Polskiego Towarzystwa Fizycznego za pracę magisterską (2012). W 2015 r. został stypendystą programu START Fundacji na Rzecz Nauki Polskiej, a w 2016 r. - jednym z laureatów konkurs Sonata organizowanego przez Narodowe Centrum Nauki, otrzymując grant na realizację projektu "Stany rozproszeniowe w ultradokładnej spektroskopii molekularnej - eksperyment i obliczenia ab initio dla układu H2-He". Obecnie prof. Wcisło kieruje dwoma grantami OPUS oraz projektem PRELUDIUM BIS Narodowego Centrum Nauki.

W sierpniu 2016 r. prof. Wcisło dostał Nagrodę Premiera za wyróżnioną rozprawę doktorską "Molecular collisions and shapes of optical resonances", przygotowaną pod kierunkiem dr. hab. Romana Ciuryły, prof. UMK, w grudniu 2016 r. natomiast Nagrodę Ministra Nauki i Szkolnictwa Wyższego za osiągnięcia naukowe II stopnia. Jesienią 2017 r. dr Wcisło został laureatem V edycji ministerialnego konkursu w ramach programu "Mobilność Plus". W grudniu 2017 r. otrzymał stypendium MNiSW dla wybitnych młodych naukowców, a kierowany przez niego zespół znalazł się w gronie laureatów prestiżowych Nagród Ministra Nauki i Szkolnictwa Wyższego za wybitne osiągnięcia naukowe lub naukowo-techniczne (w kategorii badania podstawowe).