Молекулы охладили до рекордно низкой температуры, отличающейся от абсолютного нуля всего на 50 миллионных градуса.

Очень холодные молекулы, почти не имеющие теплового движения, нужны физикам для самых различных исследований, начиная с изучения свойств самих молекул до создания квантовых компьютеров.  Полагают, что при этом должны замедляться и различные реакции, что позволит изучить происходящие процессы. Однако на пути достижения сверхнизких температур природа установила целый ряд барьеров.

Наука и жизнь // Иллюстрации

Схема установки. Слева лазерным облучением мишени из Са получаются молекулы CaF, которые охлаждаются лазером, а затем попадают в ловушку (справа), где охлаждаются до конечной температуры. Снизу показан размер установки в см.

Схема «оптической патоки». В центре расположены охлаждаемые атомы, желтым цветом показаны лазерные лучи.

Авторы рекордного достижения из Центра холодной материи в Имперском колледже Лондона использовали самый распространенный способ лазерного охлаждения молекул – доплеровский.

Чтобы понять его механизм, вспомним, что атом поглощает и излучает фотоны с энергией hν (ν - частота света, h –постоянная Планка), равной разности его уровней энергии. В данном методе частота лазерного излучения выбирается несколько меньше, чем нужно для поглощения. Но из-за эффекта Доплера движущийся навстречу фотону атом «видит» у того большую частоту и поглощение все же происходит.

Затем возбужденный атом спонтанно излучает фотон, но уже большей частоты. Поэтому при каждом таком цикле поглощение-излучение он теряет часть своей кинетической энергии, а, значит, охлаждается. На догоняющий луч лазера атом не реагирует, так как эффект Доплера для него еще больше понижает частоту, делая поглощение невозможным.

Несколько лазерных лучей, идущих в разных направлениях, замедляют атомы при любом направлении их движения. Создается впечатление, что атомы движутся в вязкой жидкости вроде меда или патоки. Такой метод охлаждения и получил название «оптической патоки».

Однако таким способом нельзя охладить молекулы и атомы до температур ниже, чем несколько сотен микрокельвинов. Дело в том, что из-за соотношения неопределенностей поглощаются фотоны не одной частоты, а целого диапазона частот. Физики говорят, что спектральная линия имеет ширину. Но тогда при низких скоростях атомов будут поглощаться фотоны с обоих направлений, и метод перестанет работать. Температура, при которой это происходит, получила название доплеровского предела. Для использованного в работе монофторида кальция CaF она выше 640 мкК (1 мкК = 10^-6 К– миллионная доля градуса).

Поэтому дальше авторы исследования использовали второй этап с так называемым сизифовым охлаждением. Здесь молекула теряет энергию из-за взаимодействия со светом с изменяющейся в пространстве поляризацией, который создается двумя распространяющимися навстречу лазерными лучами. Распределение электрического поля при этом напоминает своеобразную гребенку, «зубья» которой сбрасывают атом во все более низкое энергетическое состояние. Вот за это поочередное движение атома как бы в гору и сбрасывание метод и получил имя Сизифа, наказанного богами вечно закатывать на гору камень.

Этот метод известен применительно к атомам достаточно давно. В 1997 году за работы по охлаждению атомов и, в частности, за объяснение этого метода Нобелевскую премию получил французский физик Клод Коэн-Таннуджи. Его команде тогда удалось охладить атомы до 0,18 мкК. Напомним, что абсолютный нуль температуры, измеряемой в Кельвинах, соответствует -273,15 градусов Цельсия. Однако так сильно охладить молекулы долгое время не удавалось из-за их более сложной структуры энергетических уровней по сравнению с атомами.

Физики из Центра холодной материи в Имперском колледже Лондона сумели решить все проблемы и добиться рекордно низкой температуры 50 мкК. Об этом сообщил журнал Nature Physics. С препринтом работы можно познакомиться на сайте arxiv.org.