fot. Andrzej Romański
Na łamach prestiżowego czasopisma „Nature Physics” ukazał się właśnie artykuł, którego współautorami są dr hab. Piotr Żuchowski, prof. UMK, z Instytutu Fizyki UMK i dr inż. Mariusz Pawlak z Wydziału Chemii UMK.
Praca opublikowana 17 października na stronie „Nature Physics” opisuje badania reakcji chemicznych, w których atom helu we wzbudzonym stanie zderzając się z molekułą wodoru, powoduje jej jonizację.
Badania były możliwe dzięki unikalnemu eksperymentowi, jaki przeprowadzony został w Instytucie Weizmanna w Izraelu, w grupie kierowanej przez prof. Edvardasa Nareviciusa. Koniecznego wsparcia teoretycznego, oprócz dr. hab. Piotra Żuchowskiego, prof. UMK, i dr. inż. Mariusza Pawlaka z Uniwersytetu Mikołaja Kopernika w Toruniu, dostarczyły grupy współpracowników na uniwersytetach Technion w Hajfie (Izrael), w Kassel i Dusseldorfie (Niemcy), oraz Radboud University w Nijmegen (Holandia).
Więcej o badaniach:
Rozumienie mechanizmów rządzących oddziaływaniami i zderzeniami cząsteczek i atomów jest kluczowe w wielu bardzo różnych dziedzinach nauki: fizyce i chemii atmosfery, astrofizyce, chemii procesów, procesach spalania czy też w wielu procesach biochemicznych. Wszystkie reakcje chemiczne, które zauważamy w życiu codziennym, są szczególnym przypadkiem zderzeń cząsteczek: są to zderzenia, w których zmienia się rozkład elektronów wokół atomów.
W publikacji powstałej z udziałem naukowców z UMK badane były reakcje chemiczne, w których atom helu we wzbudzonym stanie zderzając się z molekułą wodoru, powoduje jej jonizację: rozbija ją na dodatnio naładowany jon i wolny elektron.
W temperaturze pokojowej zderzenia takie opisuje fizyka klasyczna: można je sobie wyobrazić w ten sposób, że w grze w bilard ktoś połączył bile sprężynkami. Ale w temperaturach rzędu -273 stopni Celsjusza, tuż ponad zerem bezwzględnym, zderzenia zachodzą zupełnie inaczej niż w temperaturze pokojowej – zaobserwować można na przykład wyraźnie „magiczne” wartości energii zderzenia, przy których reakcja zachodzi znacznie szybciej. Takie magiczne wartości energii kinetycznej zderzenia nazywamy rezonansami. Okazuje się, że energie, w jakich zdarzają się takie rezonanse zależą bardzo mocno od tego, jak molekuła wodoru rotuje. Ruch obrotowy molekuły jest skwantowany – jej moment pędu przyjmuje tylko wielokrotności niektórych liczb całkowitych. Przełączając stan rotacyjny molekuły zmieniamy strukturę rezonansów. Co się za tym kryje? Okazuje się, że różnice w energiach rezonansów zależą dramatycznie od anizotropii potencjału, czyli tego jak atom i molekuły przyciągają się w zależności od wzajemnej orientacji. Dzięki temu, posługując się mechaniką kwantową, można bardzo dokładnie wyznaczyć kształt potencjału oddziaływania między atomem i molekułą.
Zrozumienie zderzeń w niskich temperaturach są kluczowe do produkcji ultrazimnej materii, na której oparte będą w przyszłości wzorce czasu, takie jak zegar optyczny, która może stanowić budulec symulatorów kwantowych lub służyć do wielu fundamentalnych badań.
Zderzenia w podobnych warunkach zachodzą również w przestrzeni kosmicznej.
Dr hab. Piotr Żuchowski, prof. UMK, od roku 2011 jest adiunktem w Zakładzie Mechaniki Kwantowej w Instytucie Fizyki UMK. Jest współautorem blisko 40 prac naukowych z listy filadelfijskiej. Po uzyskaniu stopnia doktora w 2007 roku na Wydziale Chemii Uniwersytetu Warszawskiego odbył staże podoktorskie na angielskich uniwersytetach w Durham i w Nottingham. Jest laureatem stypendium powrotowego Fundacji na Rzecz Nauki Polskiej Homing Plus, stypendium Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego dla wybitnych młodych naukowców oraz pierwszej nagrody za osiągnięcie naukowe Rektora UMK za rok 2014. Jest również beneficjentem kilku programów Narodowego Centrum Nauki oraz MNiSW. Kilkanaście razy wygłaszał referaty na międzynarodowych konferencjach i w zagranicznych ośrodkach badawczych. Jego zainteresowania naukowe to oddziaływania między cząsteczkami i atomami oraz zderzenia molekuł i atomów. Ponadto od kilku lat interesuje się fizyką zimnych atomów i molekuł o temperaturze mniejszej niż 0.001 kelwina. Współpracuje z wieloma grupami badawczymi z całego świata, ostatnia publikacja jest owocem ponaddwuletniej współpracy z prof. Edvardasem Nareviciusem – która dwa lata temu również przyniosła efekt w postaci publikacji w czasopiśmie „Nature Chemistry”. Ponadto dr hab. Piotr Żuchowski współpracuje z grupą zajmującą się ultrazimnymi atomami w Krajowym Laboratorium Fizyki Atomowej, Molekularnej i Optycznej w Toruniu. Prywatnie dr hab. Żuchowski jest ojcem trójki dzieci (10 letniego syna i 7-letnich córeczek-bliźniaczek).
Dr inż. Mariusz Pawlak jest pracownikiem Zakładu Chemii Kwantowej Wydziału Chemii UMK. Tematyka jego badań dotyczy fizyki atomowej i molekularnej, w szczególności obiektem jego zainteresowań są stany związane, rezonansowe, rydbergowskie i boromejskie układów kwantowych w polu laserowym, stałym polu elektrycznym oraz w otoczeniu plazmy. W latach 2013-14 przebywał na stażu podoktorskim w Izraelskim Instytucie Technologicznym Technion, z którego w ciągu ostatnich 12 lat aż czworo uczonych otrzymało Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii. Odbył także kilka krótkoterminowych staży naukowych w Uniwersytecie w Heidelbergu (Niemcy), Uniwersytecie w Lund (Szwecja), Indian Association for the Cultivation of Science w Kalkucie (Indie), Weizmann Institute of Science w Rechowocie (Izrael). Wyniki swoich dotychczasowych badań prezentował na międzynarodowych konferencjach i sympozjach naukowych w kraju i za granicą (w Wielkiej Brytanii, Finlandii, Szwecji, Francji, Hiszpanii, Słowacji, Izraelu, Austrii) w formie komunikatów i plakatów. Wśród otrzymanych przez niego nagród i wyróżnień, znajduje się m.in. nagroda za najlepszy plakat na 9th Central European Symposium on Theoretical Chemistry w Nowym Smokowcu. Ponadto dr Pawlak był beneficjentem programów MNiSW (Mobilność Plus, TransFormation.doc) oraz Fundacji na Rzecz Nauki Polskiej (Skills), otrzymał także stypendium Marszałka Województwa Kujawsko-Pomorskiego. W 2015 r. został powołany do Rady Młodych Naukowców (organu doradczego Ministra Nauki i Szkolnictwa Wyższego). Jest również członkiem jednego z ministerialnych Zespołów Specjalistycznych (ZS-2) oraz członkiem Europejskiego Towarzystwa Fizycznego.
Tekst przygotowany przez Dział Promocji i Informacji UMK