Молекули охолодили до рекордно низької температури, що відрізняється від абсолютного нуля всього на 50 мільйонних градуса.
Наука і життя // Ілюстрації
Схема установки. Зліва лазерним опромінюванням мішені з Са виходять молекули CaF, які охолоджуються лазером, а потім потрапляють в пастку (праворуч), де охолоджуються до кінцевої температури. Знизу показаний розмір установки в см.
<
>
Дуже холодні молекули, які майже не мають теплового руху, потрібні фізикам для самих різних досліджень, починаючи з вивчення властивостей самих молекул до створення квантових комп'ютерів. Вважають, що при цьому повинні сповільнюватися і різні реакції, що дозволить вивчити процеси, що відбуваються. Однак на шляху досягнення наднизьких температур природа встановила цілий ряд бар'єрів.
Автори рекордного досягнення з Центру холодної матерії в Імперському коледжі Лондона використовували найпоширеніший спосіб лазерного охолодження молекул - доплеровській.
Щоб зрозуміти його механізм, згадаємо, що атом поглинає і випромінює фотони з енергією hν (ν - частота світла, h-постійна Планка), що дорівнює різниці його рівнів енергії. В даному методі частота лазерного випромінювання вибирається трохи менше, ніж потрібно для поглинання. Але через ефект Доплера рухається назустріч фотону атом «бачить» у того велику частоту і поглинання все ж відбувається.
Потім збуджений атом спонтанно випромінює фотон, але вже більшою частоти. Тому при кожному такому циклі поглинання-випромінювання він втрачає частину своєї кінетичної енергії, а, значить, охолоджується. На наздоганяє промінь лазера атом не реагує, так як ефект Доплера для нього ще більше знижує частоту, роблячи поглинання неможливим.
Кілька лазерних променів, що йдуть в різних напрямках, уповільнюють атоми при будь-якому напрямку їх руху. Створюється враження, що атоми рухаються в в'язкої рідини на зразок меду або патоки. Такий метод охолодження і отримав назву «оптичної патоки».
Проте у такий спосіб не можна охолодити молекули й атоми до температур нижче, ніж кілька сотень мікрокельвіна. Справа в тому, що через співвідношення невизначеностей поглинаються фотони не однієї частоти, а цілого діапазону частот. Фізики кажуть, що спектральна лінія має ширину. Але тоді при низьких швидкостях атомів будуть поглинатися фотони з обох напрямків, і метод перестане працювати. Температура, при якій це відбувається, отримала назву доплерівського межі. Для використаного в роботі Монофторид кальцію CaF вона вище 640 мкК (1 мкК = 10-6 К-мільйонна частка градуса).
Тому далі автори дослідження використовували другий етап з так званим сізіфовою охолодженням. Тут молекула втрачає енергію через взаємодію зі світлом зі змінною в просторі поляризацією, який створюється двома поширюються назустріч лазерними променями. Розподіл електричного поля при цьому нагадує своєрідну гребінку, «зуби» якої скидають атом у все більш низьке енергетичний стан. Ось за це почергове рух атома як би в гору і скидання метод і отримав ім'я Сізіфа, покараного богами вічно закочувати на гору камінь.
Цей метод відомий стосовно атомам досить давно. У 1997 році за роботи по охолодженню атомів і, зокрема, за пояснення цього методу Нобелівську премію отримав французький фізик Клод Коен-Таннуджи. Його команді тоді вдалося охолодити атоми до 0,18 мкК. Нагадаємо, що абсолютний нуль температури, вимірюваної в Кельвіна, відповідає -273,15 градусів Цельсія. Однак так сильно охолодити молекули довгий час не вдавалося через їх більш складної структури енергетичних рівнів в порівнянні з атомами.
Фізики з Центру холодної матерії в Імперському коледжі Лондона зуміли вирішити всі проблеми і досягти рекордно низької температури 50 мкК. Про це повідомив журнал Nature Physics . З препринтом роботи можна познайомитися на сайті arxiv.org.