Физики впервые охладили молекулы до температуры 220 нанокельвин

Hyungmok Son, et al. / Nature, 2020

Группа физиков из США охладила молекулы натрий-литий до температуры 220 нанокельвин за счет столкновений с ультрахолодными атомами натрия. Работа опубликована в журнале Nature.

Испарительное охлаждение используется как для понижения температуры нашего тела, когда мы потеем, так и для охлаждения помещений и приборов. Природа этого феномена заключается в том, что горячие частицы охлаждаемой системы сталкиваются с частицами охладителя, передавая им свой импульс, а последние, в свою очередь, покидают систему. 

В атомной физике испарительное охлаждение применяется для снижения энергии колебаний ансамбля атомов. Технология использует электромагнитное поле для улавливания атомов в оптическую ловушку. С течением времени атомы сталкиваются друг с другом и некоторые из них становятся подвижнее, чем другие. Такие высокоэнергетичные атомы покидают ловушку, понижая тем самым энергию всей системы и снижая температуру оставшихся атомов.

Охлажденные квантовые системы могут быть использованы в качестве симулятора различных систем физики конденсированного состояния или ядерной физики. Однако у отдельных атомов слишком мало степеней свободы, что ограничивает возможности симулятора. За последние 15 лет был сделан серьезный прогресс в охлаждении более сложных объектов, таких как молекулы, но, к сожалению, достигнутые температуры ограничивались до сих пор десятками милликельвинов.

Физики из Массачусетского технологического института и Гарвардского университета под руководством профессора Алана Джемисона (Alan Jamison) впервые сумели охладить ансамбль молекул за счет испарительного охлаждения до температуры 220 нанокельвин. Для этого ученые поместили 30 тысяч молекул NaLi и 100 тысяч атомов натрия в оптическую ловушку, в которой частицы удерживались электромагнитным полем.

Экспериментальная установка.

Hyungmok Son, et al. / Nature (2020)

 

Через некоторое время молекулы и атом начинали термализоваться за счет столкновений друг с другом. После первого естественного этапа столкновения часть атомов натрия покинула ловушку, понизив температуру молекул до 2.2 микрокельвина. 

Термализация молекул и атомов.

Hyungmok Son, et al. / Nature (2020)

 

Затем физики повторно сталкивали молекулы и атомы, что приводило к дополнительному охлаждению молекул. Преднамеренные столкновения производились за счет модуляции поля в ловушке: удерживающий потенциал для молекул глубже, чем для атомов, что позволяет эффективно производить испарительное охлаждение молекул. За два цикла температура молекул достигла рекордной отметки в 220 нанокельвин.

Число молекл в оптической ловушке, и их температура. За два цикла столкновений температура опускается до сотни нанокельвин.

Hyungmok Son, et al. / Nature (2020)

Ученые утверждают, что коллизионные свойства смеси атомов натрия и молекул натрий-литий имеют большие перспективы для охлаждения и других систем из легких молекул. Недавно мы писали о том, как физикам удалось охладить частицу, состоящую из 100 миллионов атомов, с помощью оптического пинцета, а в 2018 году ученые впервые получили охлажденный конденсат фотонов.

Михаил Перельштейн

Источник: N+1