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

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

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.

Смотрите также

Впервые квантовые флуктуации были измерены при помощи подвижного 40-килограммового зеркала

Современная физика разделена на две области — на область классической физики, которая описывает работу больших …

Ученые нашли способ увеличения мощности лазерных импульсов до уровня, достаточного для исследований новых областей физики

В опубликованной недавно работе международная группа ученых описала новый способ, который позволяет кардинально увеличить мощность, …

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *