Физики охладили молекулы до рекордно низких температур

Учёные из Йельского университета охладили молекулы до рекордно низкой температуры. Физики использовали магнитооптический захват и лазеры. Разработанная система позволила понизить температуру монофторида стронция до 2,5 тысячных долей градуса выше абсолютного нуля (минус 273,15 градуса Цельсия или 0 градусов Кельвина).
«Теперь мы можем начать изучать химические реакции, которые происходят при температуре, близкой к абсолютному нулю, – поясняет, зачем был проведён рекордный эксперимент, профессор физики и ведущий автор исследования Дейв ДеМилль (Dave DeMille). – У нас есть шанс узнать фундаментальные химические механизмы».
Магнитооптический захват — технология, широко применяемая в атомной физике, но, как правило, на уровне одного атома. Технология использует лазеры для одновременного охлаждения частиц и удержания их на месте.
«Представьте себе, что у вас есть миска с небольшим количеством мёда, – объясняет ДеМилль. – Если вы бросите в неё несколько маленьких шариков, то они завязнут и скопятся на дне. В ходе нашего эксперимента роль мёда исполняли лазерные лучи и магнитные поля».
До сих пор колеблющиеся и вращающиеся молекулы было непросто зафиксировать таким образом. В большинстве более ранних работ сначала охлаждались атомы, а затем из них «собирались» молекулы. Специалисты Йельского университета охлаждали непосредственно молекулы.
С монофторидом стронция они экспериментировали по той причине, что энергия колебаний его меньше, чем у многих других молекул. Кроме того, физики подобрали цвет лазера так, чтобы его воздействие не вызывало вращение молекул.
ДеМилль и его коллеги сконструировали свой собственный аппарат в подвальной лаборатории. Это сложная машина со множеством проводов, компьютеров, электрических компонентов, настольных зеркал и криогенных холодильных установок. В процессе используется десять лазеров, каждый — с контролируемой длиной волны.
Молекулы монофторида стронция выстреливали из криогенной камеры и формировали группу, которая замедлялась с помощью лазера. По словам учёных, это было похоже на попытку замедлить шар для боулинга шариками для пинг-понга, причём это нужно было сделать быстро и многократно.
Замедленные молекулы попадают в магнитное поле, где перекрёстные лазерные лучи проходят через центральную область вдоль трёх взаимно перпендикулярных осей. Так монофторид стронция и попадает в ловушку.
«Квантовая механика позволяет нам провести охлаждение и применить силу, которая оставляет молекулы парить в почти идеальном вакууме», – говорит ДеМилль.
Такое экстремальное охлаждение можно считать важной вехой в истории физики: оно даст базу для новых исследований в различных областях, от квантовой химии до основных теорий физики элементарных частиц.