Nr wniosku: 153232, nr raportu: 12443. Kierownik (z rap.): dr hab

Nr wniosku: 153232, nr raportu: 12443. Kierownik (z rap.): dr hab. Zbigniew Stanisław Idziaszek
Z cząsteczkami dipolowymi spotykamy się każdego dnia. To z nich w większości składa się nasze ciało (woda jest
polarna). Światło z kolei dociera do nas zewsząd o każdej porze (nawet w nocy, ale wtedy z niskim natężeniem). W
ramach projektu badane były zachowania cząsteczek dipolowych uwięzionych w pułapkach wytworzonych przez światło
lasera z zakresie bardzo niskich temperatur rzędu setek nanokelwinów. Chmury cząsteczek o tak niskich temperaturach
zostały ostatnio wytworzone w kilku czołowych laboratoriach na świecie. W wielu przypadkach cząsteczki mogą zderzać
się bez zmiany ich stanu wewnętrznego – wtedy mówimy o zderzeniach elastycznych. Często jednak podczas zderzenia
dwóch cząsteczek zachodzi reakcja chemiczna. Właśnie tego typu zderzenia były głównym tematem badań w projekcie.
W temperaturach bliskich zera bezwzględnego reakcje chemiczne zachodzą w zupełnie inny sposób niż w temperaturach
pokojowych, a cząsteczki ujawniają swoją kwantową naturę. W niskich temperaturach szybkość reakcji chemicznej
zaczyna bowiem zależeć od efektów statystyki kwantowej, czyli od tego czy dana cząsteczka jest bozonem, fermionem
lub czy biorące udział w reakcji cząsteczki są rozróżnialne. W ramach projektu sformułowany został model teoretyczny
opisujący zderzenia reaktywne cząsteczek w szerokim zakresie temperatur od ultraniskich, gdzie konieczny jest opis
kwantowy, aż do bardzo wysokich, gdzie dynamikę można opisać przy pomocy praw fizyki klasycznej. W szczególności
zbadaliśmy reżim uniwersalny, gdzie prawdopodobieństwo reakcji chemicznej jest bardzo duże i opis zderzeń zależy
tylko od długo-zasięgowej części potencjału oddziaływania pomiędzy cząsteczkami. W granicy niskich oraz wysokich
temperatur wyprowadzone zostały wyniki analityczne na szybkości zderzeń elastycznych i reaktywnych dla szerokiej
klasy potencjałów, które zanikają potęgowo na dużych odległościach.
W projekcie badane były także reakcje cząsteczek polarnych w sieciach optycznych, czyli potencjałach periodycznych
wytworzonych w stojącej fali światła lasera. Ruch cząsteczki w takim potencjale przypomina w dużym stopniu ruch
elektronów w krysztale i ma bardzo podobne własności. Jeżeli potencjał sieci optycznej działa tylko w jednym wymiarze
to cząsteczki mogą poruszać się swobodnie w dwóch pozostałych kierunkach. Mamy wtedy do czynienia z układem
kwazi-dwuwymiariowym. Analogicznie, jeżeli sieć optyczna działa w dwóch wymiarach, cząsteczki mogą poruszać się
swobodnie tylko w jednym kierunku, co nazywamy pułapką kwazi-jednowymiarową. W przypadku trójwymiarowej sieci
optycznej ruch cząsteczek w niskich temperaturach pomiędzy oczkami sieci możliwy jest tylko przy pomocy efektu
tunelowania kwantowego przez barierę potencjału oddzielającą oczka. W projekcie zbadaliśmy reakcje cząsteczek w
układach kwazi-jednowymiarowych i kwazi-dwuwymiarowych oraz cząsteczek uwięzionych w oczkach siatki optycznej.
Sprawdziliśmy, jak kierunek momentu dipolowego cząsteczek, który można zmieniać przy pomocy zewnętrznego pola
elektrycznego, wpływa na szybkość reakcji. Pokazaliśmy, że ustawiając w odpowiedni sposób cząsteczki w układach
kwazi-jednowymiarowych i kwazi-dwuwymiarowych można w znaczny sposób spowolnić reakcje chemiczne cząsteczek,
przez co znacznie wydłużyć czas życia zimnych gazów cząsteczkowych. Ma to fundamentalne znaczenie dla
prowadzonych obecnie eksperymentów w tej dziedzinie.
Motywacje do badań zderzeń ultrazimnych polarnych cząsteczek w siatkach optycznych są wielostronne. Po pierwsze są
one interesujące z fundamentalnego punktu widzenia – nie zostały wyczerpująco zbadane teoretycznie, co powoduje chęć
poszerzenia wiedzy ludzkości. Po drugie fascynująca dziedzina ultrazimnych zderzeń może się przyczynić do stworzenia
komputera kwantowego. Wyposażeni w tego typu urządzenie moglibyśmy symulować inne układy kwantowe, które nie
poddają się łatwemu opisowi oraz wykonywać obliczenia w znacznie sprawniejszy sposób niż przy pomocy obecnie
dostępnych urządzeń.