Ученые охладили молекулу до тысячных долей градуса

P4m5wGgURt41

Достигнут новый рекорд в области прямого охлаждения двухатомных молекул.

На фото: Магнито-оптическая ловушка, использованная в эксперименте. Изображение: Michael Helfenbein

Физики из Йельского университета при помощи лазера охладили молекулы фторида стронция до температуры, отстоящей от температуры абсолютного нуля всего на 2,5 тысячных градуса. Описание эксперимента опубликовано в Nature, короткий обзор также представлен на сайте университета.

Лазерное охлаждение проводилось при помощи распространенного метода магнито-оптической ловушки (MOT). Несмотря на то, что для отдельных атомов этот метод уже давно (с 1987 года) известен, для молекул он практически не применялся. Это объясняется тем, что структура энергетических уровней в молекуле гораздо более сложная, чем в атоме.

Авторам статьи удалось подобрать все параметры таким образом, чтобы экспериментально реализовать MOT-эффект II рода — гораздо более сложный и менее распространенный эксперимент, чем MOT I рода. При этом удалось достичь температуры в 2,5 тысячных градуса Кельвина. Это не является абсолютным рекордом — молекулы, синтезируемые из предохлажденных атомов щелочных металлов, удавалось охладить до более низких температур, однако результат данный работы является рекордом прямого охлаждения молекул.

Экспериментальная установка МОТ включает в себя два ключевых элемента: лазеры, с помощью которых проводится доплеровское охлаждение, и специальное магнитное поле.

Доплеровское охлаждение работает при облучении вещества светом с длиной волны, которая немного меньше, чем необходимо для поглощения. Если в момент сближения фотона и атома они двигаются друг другу навстречу, возникает доплеровский эффект ускорения, и фотон все-таки поглощается. Охлаждаемое вещество и длина волны падающего света подбираются таким образом, чтобы возникала так называемая оптическая петля — циклический процесс поглощения фотона и его быстрой эмиссии. В результате этого процесса испускаемый фотон захватывает часть импульса молекулы. Таким образом последняя замедляется, что приводит к снижению температуры. Для эффективного охлаждения необходимо облучение вещества вдоль трех ортогональных осей, то есть с шести сторон.

Поскольку под действием силы тяжести вещество стремится выйти из зоны, где сходятся три лазерных луча, всю систему помещают в квадрупольное магнитное поле. По мере дрейфа мишеней (атомов или молекул вещества) из центра системы усиливающееся магнитное поле возвращает их обратно. Поле обычно образовано двумя катушками с током в анти-гельмгольцовской конфигурации.

Эксперименты по охлаждению молекул важны не только для изучения химии низких температур, но и для проверки постулатов стандартной модели современной физики частиц. Кроме того, охлажденные молекулы могут выступать в качестве кубитов, то есть носителей информации в квантовых компьютерах.