Иллюстрация молекулы углерода, подвергающейся лазерному охлаждению. Авторы и права: Николетта Баролини, Колумбийский университет.

Эти межзвездные облака настолько холодны, что их сложно воспроизвести в лаборатории, но в Колумбии есть специалисты по ультрахолодным наукам. Несколько лет назад на выездном семинаре физического факультета Колумбийской лаборатории Невиса астрофизик Савин познакомился с квантовым физиком Себастьяном Уиллом. Лаборатория Уилла специализируется на охлаждении атомов и молекул до их абсолютного предела с помощью лазеров. Технологии лазерного охлаждения быстро развиваются в последние годы, но типичный выбор физиков атомов и молекул не слишком часто встречается в повседневной жизни. Савин хотел знать: можно ли охладить молекулы углерода?

Ответ, по крайней мере теоретически, положительный, согласно исследованию, которое аспирант-физик Никколо Бигальи, Савин и Уилл недавно опубликовали в журнале Physical Review A.

Отправной точкой для лазерного охлаждения любого атома или молекулы является понимание того, как они поглощают и излучают свет; этот процесс снижает кинетическую энергию атома или молекулы, в конечном итоге охлаждая их и почти полностью останавливая. Необходимые спектроскопические данные сложно получить, и часто требуется дорогостоящее лабораторное оборудование, но, к счастью, данные о молекулах углерода уже существуют в базе данных ExoMol, ресурсе с открытым исходным кодом Лондонского университетского колледжа данных молекулярной спектроскопии, который астрофизики используют для изучения атмосфер экзопланет.

Бигали изучил данные ExoMol и разработал схему, которая должна позволять использовать лазеры для охлаждения молекул углерода до экстремально низких температур — более точно воспроизводя эти условия в межзвездных облаках , чем это было возможно ранее в лаборатории, отметил Савин. Эти холодные молекулы углерода затем можно было бы захватить с помощью так называемого оптического пинцета для высокоточной спектроскопии их фундаментальных свойств или для реакционных экспериментов по изучению их квантовой химии, как указал Уилл.

«Молекулы углерода являются абсолютно необходимыми строительными блоками для очень многих других молекул — невероятно подумать о возможностях того, что мы могли бы создать с помощью этой новой схемы лазерного охлаждения», — сказал Бигали. Это может включать объединение углерода с атомами водорода для изучения важного класса молекул, называемых углеводородами.

То, что молекулы углерода, которые в некоторых аспектах сильно отличаются от молекул, которые до сих пор охлаждались лазером в лабораториях, поддаются этой технике, также повышает вероятность того, что на столе может быть больше вариантов, чем предполагалось ранее. «Молекулы углерода могут стать связующим звеном между несколько эзотерическими молекулами физиков и теми, которые химики изучают в более реальных приложениях», — сказал Бигали. В настоящее время команда анализирует дополнительные данные, чтобы идентифицировать другие интересные молекулы, которые потенциально могут охлаждаться лазером, а также думает о том, что они могут добавить к охлажденному углероду.

Только реальные эксперименты покажут, насколько успешной будет схема углеродного охлаждения, сказал Уилл, и он надеется, что его лаборатория скоро сможет построить необходимые лазерные установки. «Мы показали, что, по сути, это будет работать с самыми современными технологиями — нам просто нужны ресурсы, чтобы собрать их воедино», — сказал он.