Нобелевский лауреат Вольфганг Кеттерле и его коллеги охладили молекулы, которые состоят из атомов щелочных металлов, до сверхнизкой температуры в 220 нанокельвин. Это в 20 раз ниже предыдущего рекорда.
«Подобные методы уже давно используются для охлаждения атомов. Изначально я не был уверен в том, что наша методика сработает. Но, так как мы не знали этого наверняка, мы все равно провели эксперимент. Теперь мы точно можем сказать, что для молекул из лития и натрия этот подход работает. Подойдет ли он для других веществ, нам еще предстоит узнать», – рассказал Кеттерле.
За последние полвека физики создали множество различных приборов, которые могут охлаждать одиночные атомы и элементарные частицы до температур, очень близких к абсолютному нулю. Как правило, они использовали в своей работе лазеры, импульсы которых настроены таким образом, что взаимодействующие с ними атомы теряют энергию и начинают медленнее двигаться.
В случае с молекулами из-за их более сложной формы и некоторых других свойств сделать это напрямую нельзя. В результате физикам удавалось охладить их до гораздо более скромных температур, которые не превышали десять милликельвин (0,01 К). Это мешало изучать квантовые свойства молекул и использовать их в качестве компонентов квантовых вычислительных систем.
Только недавно, как отмечают исследователи, ученые добились существенного прогресса в этом направлении, создав лазерные холодильные установки, которые могут косвенно взаимодействовать с молекулами. Кеттерле и его коллеги выяснили, как можно сделать молекулы еще более холодными, используя одну из самых первых методик охлаждения атомов.
Еще в прошлом веке ученые заметили, что атомы можно охладить до сверхнизких температур, если поместить их в специальную ловушку, которая избирательно пропускает самые горячие частицы, и перемешать их с облаком других, более холодных атомов. Столкновения между ними приведут к тому, что самые теплые и подвижные атомы вылетят из ловушки, забирая с собой излишки энергии, а внутри останутся только их самые холодные «соседи».
Подобный подход, как показали первые опыты, для молекул не работает. Дело в том, что их столкновения с более холодными атомами приводят к тому, что молекулы не охлаждаются, а разрушаются или нагреваются. Кеттерле и его команда предположили, что этого можно избежать, если сталкивать атомы и молекулы с одним и тем же ядерным и электронным спином. То есть они должны находиться в схожем энергетическом состоянии.
Ученые проверили эту теорию, поместив несколько тысяч атомов лития и натрия в лазерные холодильные установки. Когда они охладились примерно до трех микрокельвинов, физики перемешали атомы между собой, получив таким образом набор молекул, которые состояли из атомов и того, и другого металла. Получив облачко из этих молекул, ученые попытались охладить его, поменяв их спин при помощи лазера и столкнув их с атомами чистого натрия, с которыми проделали ту же процедуру.
Вопреки прогнозам скептиков, столкновение частиц и последующее удаление горячих атомов натрия из ловушки привели к резкому охлаждению молекул. В результате температура в опытной установке опустилась до 200 нанокельвинов (0,0000002 K). Это значение, как отмечают ученые, на порядки ниже «классического» температурного предела и всего в пять раз выше минимального порога, которое налагают законы квантовой физики.
Последующие опыты, как отмечают ученые, покажут, можно ли достичь этого предела и можно ли применять подобный подход для охлаждения молекул с другими физическими и квантовыми свойствами. Если это возможно, то у физиков появится первая удобная система для изучения квантовых свойств сложных комбинаций атомов, заключают авторы статьи.