Вид вблизи основной вакуумной камеры эксперимента с молекулами NaK. Посередине четыре высоковольтных медных провода направляются к сверхвысоковакуумной стеклянной ячейке, где были произведены ультрахолодные полярные молекулы. Предоставлено: Общество Макса Планка.

При охлаждении сильно разбавленного газа до экстремально низких температур обнаруживаются причудливые свойства. Так, некоторые газы образуют так называемый конденсат Бозе-Эйнштейна — тип вещества, в котором все атомы движутся синхронно. Другой пример — сверхтвердость: состояние, в котором вещество ведет себя как жидкость без трения с периодической структурой. Физики рассчитывают найти особенно разнообразные и раскрывающие формы квантовой материи при охлаждении газов, состоящих из полярных молекул. Для них характерно неравномерное распределение электрического заряда. В отличие от свободных атомов, они могут вращаться, вибрировать, притягиваться или отталкиваться друг от друга. Однако охладить молекулярные газы до сверхнизких температур затруднительно. Группа исследователей из Института квантовой оптики Макса Планка (MPQ) в Гархинге нашла простой и эффективный способ преодолеть это препятствие.

Процесс как в чашке кофе

Для своих экспериментов исследователи использовали газ из молекул натрия-калия (NaK), которые удерживались в оптической ловушке с помощью лазерного излучения. Чтобы охладить газ, команда использовала метод, который давно доказал свою эффективность для охлаждения несвязанных атомов: так называемое испарительное охлаждение . «Этот метод работает аналогично известному процессу, при котором чашка горячего кофе охлаждается», — говорит доктор Синь-Ю Луо, руководитель Лаборатории ультрахолодных полярных молекул в Отделе квантовых систем многих тел в MPQ. : В кофе молекулы водыпостоянно сталкиваются и тем самым обмениваются частями своей кинетической энергии. Если столкнутся две особенно энергичные молекулы, одна из них может стать достаточно быстрой, чтобы вырваться из кофе — он испарится из чашки. Другая молекула остается с меньшей энергией. Так кофе постепенно остывает. Точно так же газ можно охладить до нескольких нанокельвинов — миллиардных долей градуса выше абсолютного нуля при минус 273,15 градуса Цельсия.

Однако: «Если газ состоит из молекул, их необходимо дополнительно стабилизировать при очень низких температурах », — говорит Луо. Причина кроется в гораздо более сложном строении молекул по сравнению с несвязанными атомами. Поэтому контролировать их движения во время столкновений сложно. Молекулы могут слипаться во время столкновений. Кроме того, «полярные молекулы ведут себя как крошечные магниты, которые могут соединяться друг с другом, и в этом случае они теряются для эксперимента», — объясняет доктор Андреас Шиндевольф, который проводит исследования в группе Синь-Ю Луо. Эти трудности оказались огромным препятствием для исследований в последние годы.

Изображение системы натриевого лазера, генерирующей желтый свет, используемый для лазерного охлаждения и визуализации атомов натрия. Предоставлено: Общество Макса Планка.

Микроволны разделяют молекулы

Чтобы преодолеть это препятствие, исследователи из Гархинга прибегли к хитрости: дополнительному применению специально подготовленного электромагнитного поля , которое служит энергетическим экраном для молекул, не давая им слипаться. «Мы создали этот энергетический щит, используя сильное вращающееся микроволновое поле», — объясняет Андреас Шиндевольф. «Поле заставляет молекулы вращаться с более высокой частотой». Если две молекулы подходят слишком близко друг к другу, они могут обмениваться кинетической энергией, но в то же время они выстраиваются таким образом, что отталкивают друг друга и быстро снова разделяются.

Для создания микроволнового поля с требуемыми свойствами исследователи поместили спиральную антенну под оптическую ловушку, содержащую газ молекул натрия-калия. «Скорость, с которой молекулы сцеплялись, таким образом, уменьшилась более чем на порядок», — сообщает Xin-Yu Luo. Кроме того, под действием поля между молекулами развивалось сильное и дальнодействующее электрическое взаимодействие. «В результате они сталкивались гораздо чаще, чем без вращающегося микроволнового поля — в среднем около 500 раз на молекулу», — говорит физик. «Этого было достаточно, чтобы охладить газ почти до абсолютного нуля за счет испарения».

Художественная иллюстрация микроволнового морозильника нанокельвина для молекул. Предоставлено: Общество Макса Планка.

Новый низкотемпературный рекорд

Всего через треть секунды температура достигла 21 нанокельвина, что значительно ниже критической «температуры Ферми». Он отмечает предел, ниже которого в поведении газа преобладают квантовые эффекты, и начинают возникать причудливые явления. «Температура, которой мы достигли, является самой низкой на сегодняшний день в газе полярных молекул», — с удовлетворением сообщает Луо. И исследователь Макса Планка считает, что они могут достичь еще более низких температур за счет технических усовершенствований экспериментальной установки.

Результаты могут иметь далеко идущие последствия для исследований квантовых эффектов и квантовой материи. «Поскольку новый метод охлаждения настолько прост, что его также можно интегрировать в большинство экспериментальных установок с ультрахолодными полярными молекулами, этот метод вскоре должен найти широкое применение — и внести свой вклад в немало новых открытий», — говорит профессор доктор Иммануэль Блох. Директор отдела квантовых многочастичных систем MPQ. «Охлаждение с помощью микроволн не только открывает ряд новых исследований особых состояний материи, таких как сверхтекучие и сверхтвердые тела», — говорит Блох. «Более того, это может быть полезно в квантовых технологиях». Например, в квантовых компьютерах, где данные могли бы храниться в ультрахолодных молекулах .. «Это действительно захватывающие времена для исследователей, работающих с ультрахолодными полярными молекулами », — говорит Синь-Ю Луо.

Ссылки по теме:

• Источник: Phys.org