Создан новый «суперхолодильник», способный охлаждать молекулы до температур, измеряемых нанокельвинами

Ученые-физики уже достаточно давно научились охлаждать отдельные атомы и ионы до сверхнизких температур, исчисляющихся очень малыми долями градуса выше абсолютного нуля. Также предпринимались попытки охлаждения до столь низких температур и более сложных образований — молекул, но в большинстве случаев все это не приносило успеха из-за возросшей сложности данной задачи. И лишь недавно физикам из Массачусетского технологического института (Massachusetts Institute of Technology, MIT), использовавшим уникальную технологию, удалось охладить молекулы лития-натрия до температуры в 200 нанокельвинов, в 200 миллиардных долей градуса выше абсолютного нуля.

Для охлаждения использовалась техника, называемая охлаждением путем столкновений (collisional cooling). Предварительно охлажденные молекулы лития-натрия были погружены в облако еще более холодных атомов натрия, которые, действуя в качестве хладагента, охладили молекулы еще глубже. Однако, подобный метод охлаждения далеко не всегда дает положительные результаты. При неподходящих условиях атомы, столкнувшись с молекулами, могут передать им часть своей энергии, т.е. нагревать их вместо охлаждения. Также иногда атом может вступить в химическую реакцию с молекулой, разрушив ее, и все такие столкновения относят к разряду «неправильных» столкновений.

Для того, чтобы обеспечить подавляющее преимущество «правильных» столкновений над «неправильными», ученые создали систему, в которой использовалось более чем 20 лучей лазерного света и магнитные поля сложной конфигурации, сгенерированные внутри вакуумной камеры. В начале эксперимента эта система поймала в магнитных ловушках отдельные атомы натрия и лития и охладила их до температуры в 2 микрокельвина стандартным лазерным способом. При такой температуре большинство атомов сцепились друг с другом, образуя молекулы лития-натрия.

Как только исследователи получили достаточное количество молекул, они осветили их дополнительными лазерными лучами с определенными частотами и с определенными углами поляризации, помимо этого, в вакуумную камеру были направлены излучатели, вырабатывающие потоки микроволнового электромагнитного излучения. Весь этот комплекс мер заставил свободные атомы и молекулы синхронизироваться, направление и скорость их вращения стали практически одинаковы. После этого ученые начали понижать температуру в холодильнике все ниже и ниже, делая оптическую ловушку все свободней и свободней, что позволило более холодным атомам сталкиваться с молекулами лития-натрия в строго определенные «правильные» моменты времени. И в результате все молекулы охладились до температуры в 200 миллиардных долей Кельвина.

Как показали эксперименты, охлажденные молекулы сохраняли столь низкую температуру на протяжении максимум одной секунды. «Но в квантовом мире одна секунда является очень и очень долгим промежутком времени» — пишут исследователи, — «За такое время молекулы, которые могут быть использованы в качестве сложных комплексных кубитов, успеют сделать множество параллельных вычислительных операций».

В своих дальнейших исследованиях ученые из MIT намерены добиться в пять раз более глубокого охлаждения молекул лития-натрия, чем это им удалось сделать в нынешнее время. При этом, молекулы достигнут так называемого состояния квантового вырождения, когда поведение отдельных молекул становится неразличимым и множество таких молекул начинает демонстрировать коллективное поведение, подчиняющееся законам квантовой механики.

Для охлаждения молекул до еще более низкой температуры ученым потребуется несколько месяцев для проведения работ по модернизации и оптимизации их экспериментальной установки. Кроме этого, в установку будут добавлены несколько новых лазеров, а некоторые из существующих будут заменены их более высококачественными аналогами, вырабатывающими лучи света с более стабильными характеристиками.

https://www.dailytechinfo.org/news/10845-sozdan-novyy-superholodilnik-sposobnyy-ohlazhdat-molekuly-do-temperatur-izmeryaemyh-nanokelvinami.html