Створено новий "суперхолодильник", здатний охолоджувати молекули до температури, вимірюваних нанокельвинами

Apr 17 7:00 2020 Друк цієї статті

Також робилися спроби охолодження до таких низьких температур і більш складних утворень - молекул, але в більшості випадків все це не приносило успіху через зростання складності завдання. І лише нещодавно фізикам з Массачусетського технологічного інституту (Massachusetts Institute of Technology, MIT), використовували унікальну технологію, вдалося охолодити молекули літію-натрію до температури 200 нанокельвинов, в 200 мільярдних часток градуса вище абсолютного нуля.

Для охолодження використовувалася техніка, звана охолодженням шляхом зіткнень (collisional cooling). Попередньо охолоджені молекули літію-натрію були занурені в хмару ще більш холодних атомів натрію, які, діючи в якості холодоагенту, охолодили молекули ще глибше. Однак, подібний метод охолодження далеко не завжди дає позитивні результати. При невідповідних умовах атоми, зіткнувшись з молекулами, можуть передати їм частину своєї енергії, тобто нагрівати їх замість охолодження. Також іноді атом може вступити в хімічну реакцію з молекулою, зруйнувавши її, і всі такі зіткнення відносять до розряду "неправильних" зіткнень.

Для того, щоб забезпечити перевагу "правильних" зіткнень над "неправильними", вчені створили систему, в якій використовувалося більш ніж 20 променів лазерного світла і магнітні поля складної конфігурації, згенерований всередині вакуумної камери. На початку експерименту ця система зловила в магнітних пастках окремі атоми натрію та літію і охолодила їх до температури в 2 микрокельвина стандартним лазерним способом. При такій температурі більшість атомів зчепилися один з одним, утворюючи молекули літію-натрію.

Як тільки дослідники отримали достатню кількість молекул, вони освітили їх додатковими лазерними променями з певними частотами і з певними кутами поляризації, крім цього, у вакуумну камеру були спрямовані випромінювачі, що виробляють потоки мікрохвильового електромагнітного випромінювання. Весь цей комплекс заходів змусив вільні атоми і молекули синхронізуватися, напрям і швидкість їх обертання стали практично однакові. Після цього вчені почали знижувати температуру в холодильнику все нижче і нижче, роблячи оптичну пастку все вільніше й вільніше, що дозволило більш холодним атомів стикатися з молекулами літію-натрію в строго певні "правильні" моменти часу. І в результаті всі молекули охололи до температури 200 мільярдних часток Кельвіна.

Як показали експерименти, охолоджені молекули зберігали таку низьку температуру протягом максимум однієї секунди. "Але в квантовому світі одна секунда є дуже і дуже довгим проміжком часу" - пишуть дослідники, - "За такий час молекули, які можуть бути використані в якості складних комплексних кубітів, встигнуть зробити безліч паралельних обчислювальних операцій".

У своїх подальших дослідженнях учені з MIT мають намір домогтися в п'ять разів більш глибокого охолодження молекул літію-натрію, ніж це їм вдалося зробити в нинішній час. При цьому, молекули досягнуть так званого квантового стану виродження, коли поведінка окремих молекул стає неразличимым і безліч таких молекул починає демонструвати колективне поведінка, що підкоряється законам квантової механіки.

Для охолодження молекул до ще більш низької температури вченим знадобиться кілька місяців для проведення робіт з модернізації та оптимізації їх експериментальної установки. Крім цього, в установку будуть додані кілька нових лазерів, а деякі з існуючих будуть замінені їх більш високоякісними аналогами, що виробляють промені світла з більш стабільними характеристиками.