Η έρευνα έδειξε ότι η κβαντική δυναμική του μορίου του υδρογόνου εξαρτάται από το περιβάλλον που το περιβάλλει
Επιστήμονες στο Πανεπιστήμιο του Μέριλαντ απέδειξαν με επιτυχία τον έλεγχο του πυρηνικού σπιν ενός μορίου υδρογόνου (H₂) χρησιμοποιώντας ξηρό πάγο.
Αυτή η απλή δυνατότητα ελέγχου της κβαντικής κατάστασης ενός υλικού θα μπορούσε να ανοίξει πολλαπλές εφαρμογές, από τη μέτρηση της θερμοκρασίας κομητών στο διάστημα έως νέες προσεγγίσεις στην κβαντική υπολογιστική στη Γη.
Οι κβαντικές εφαρμογές αποτελούν το επόμενο σύνορο της τεχνολογίας, επιτρέποντας στους επιστήμονες να αξιοποιούν την «παράξενη συμπεριφορά» των υλικών για να εκτελούν σύνθετους υπολογισμούς και μετρήσεις που προηγουμένως ήταν αδύνατες.
Ωστόσο, για να επιτευχθεί αυτό, οι επιστήμονες βασίζονταν σε εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες κοντά στο απόλυτο μηδέν. Αν και αυτό είναι δαπανηρό, περιορίζει επίσης τον αριθμό των πιθανών εφαρμογών εκτός εργαστηρίου.
Χημικοί φυσικοί στο Πανεπιστήμιο του Μέριλαντ κατάφεραν τώρα να ελέγξουν την κβαντική κατάσταση χρησιμοποιώντας μόνο ξηρό πάγο.
Ο ξηρός πάγος, που δημιουργείται με ψύξη διοξειδίου του άνθρακα σε κανονική ατμοσφαιρική πίεση και σχετικά υψηλότερες θερμοκρασίες -109 βαθμών Φαρενάιτ (-75 βαθμοί Κελσίου), είναι ευρέως διαθέσιμος και μπορεί να αποκτηθεί φθηνά.
Κβαντικές καταστάσεις του σπιν του υδρογόνου
Το πυρηνικό σπιν ενός ατόμου περιγράφει επίσης τη στροφορμή του.
Το μοριακό υδρογόνο, ή το μόριο H₂, υπάρχει σε δύο καταστάσεις. Μία όπου τα πυρηνικά σπιν των δύο ατόμων υδρογόνου αλληλοαναιρούνται. Αυτή είναι γνωστή ως para-H₂ (παρα-υδρογόνο).
Ενώ το ortho-H₂ φυσικά τείνει να φτάσει στη χαμηλής ενέργειας κατάσταση, οι ερευνητές του Μέριλαντ διαπίστωσαν ότι όταν ψύχεται το para-H₂, η κατάψυξη του μορίου σε ξηρό πάγο αποτρέπει αυτή τη μετατροπή για δύο από τις τρεις υποκαταστάσεις του ortho-H₂ (ορθο-υδρογόνο).
«Το μεγάλο εύρημα είναι ότι, ανάλογα με το σε τι είδους πάγο τοποθετούμε ένα μόριο H₂, η κβαντική του δυναμική εξαρτάται πλήρως από το περιβάλλον», εξήγησε ο Nathan McLane, μεταπτυχιακός φοιτητής φυσικής που συμμετείχε στην εργασία.
Σύμφωνα με τον McLane, η γεωμετρία του ξηρού πάγου επιβάλλει ένα σύνολο κανόνων στα μόρια H₂ που αποτρέπουν τη μετάβασή τους σε κατάσταση χαμηλής ενέργειας.
Ενδιαφέρον είναι ότι η προσθήκη διοξειδίου του αζώτου στο κρυσταλλικό πλέγμα του ξηρού πάγου χαλαρώνει αυτούς τους κανόνες και επιτρέπει και στα τρία μόρια ortho-H₂ να μετατραπούν στη χαμηλής ενέργειας κατάσταση.
Πιθανές εφαρμογές
Μέχρι τώρα, οι επιστήμονες χρησιμοποιούσαν ισχυρά μαγνητικά πεδία και χημικούς καταλύτες για να ελέγχουν τα πυρηνικά σπιν των ατόμων.
Ωστόσο, αυτό θα μπορούσε να γίνει πολύ πιο εύκολα με τον ξηρό πάγο.
Αυτό θα μπορούσε να βοηθήσει τους ερευνητές να προστατεύσουν τις κβαντικές καταστάσεις των υλικών, δημιουργώντας πιο σταθερές μορφές κβαντικής μνήμης.
Είναι απίθανο οι μελλοντικοί κβαντικοί υπολογιστές να χρειάζονται απλώς μόρια υδρογόνου και ξηρό πάγο, αλλά η έρευνα βοηθά στον καθορισμό βασικών κανόνων για την προστασία των κβαντικών καταστάσεων.
Μεταξύ άλλων εφαρμογών, οι ερευνητές ελπίζουν ότι οι μετρήσεις των αναλογιών ortho- και para-νερού που απελευθερώνονται από κομήτες θα μπορούσαν να βοηθήσουν στην εκτίμηση των θερμοκρασιών στις οποίες σχηματίστηκαν αυτοί οι κομήτες.
Διαστημικές υπηρεσίες όπως η NASA χρησιμοποιούν ορισμένα πρότυπα για να προσδιορίσουν πώς αλλάζουν τα πυρηνικά σπιν στους κομήτες. Μερικοί από αυτούς τους υπολογισμούς βασίζονται σε μη επιβεβαιωμένες υποθέσεις.
Οι ερευνητές ελπίζουν ότι η έρευνά τους θα επιβεβαιώσει ή θα αντικρούσει αυτές τις υποθέσεις στο εργαστήριο.
Το υδρογόνο ως καύσιμο απελευθερώνει θερμότητα όταν η κατάστασή του αλλάζει από ortho σε para, και αυτή η θερμότητα πρέπει να διαχειρίζεται αποτελεσματικά για λόγους ασφάλειας. Η έρευνα θα βοηθήσει επίσης στην πιο σταθερή και αποδοτική αποθήκευση του υδρογόνου, εμπλουτίζοντας ορισμένες καταστάσεις πυρηνικού σπιν ενώ προστατεύει άλλες.
www.worldenergynews.gr
