;
Наука 28 июля 2022

Физики создали микроволновый холодильник для молекул и установили рекорд охлаждения

Далее

Исследователи разработали новый метод охлаждения полярных молекул. Им удалось снизить температуру молекулярного газа до 21 нанокельвина (нК).

Физики использовали вращающееся микроволновое поле для охлаждения газа, состоящего из полярных молекул, до рекордно низких температур. Эта технология поможет лучше изучить квантовые состояния материи и их свойства.

Для своих экспериментов исследователи использовали газ, состоящий из молекул натрия и калия, которые удерживались в оптической ловушке с помощью лазерного излучения. Физики охлаждали газ с помощью испарительного охлаждения — технологии, которая применяется для отдельных атомов.

Вакуумная камера, в которой генерируется сверххолодный газ. Изображение: Общество Макса Планка

Принцип работы этого метода основан на столкновении частиц в магнитной ловушке. Отдельные атомы, сталкиваясь друг с другом, передают часть своей кинетической энергии. С течением времени отдельные атомы становятся гораздо энергичнее, чем другие, и они покидают ловушку, снижая энергию системы и температуру группы атомов, оставшихся в ней.

Для полярных молекул характерно неравномерное распределение электрического заряда, объясняют ученые. В отличие от свободных атомов, они могут вращаться, вибрировать, притягиваться или отталкиваться друг от друга. Они ведут себя как крошечные магниты и могут слипаться, препятствуя охлаждению.

Чтобы устранить это ограничение, исследователи использовали специально подготовленное электромагнитное поле, которое служит энергетическим щитом для молекул и не дает им сцепляться и слипаться. Под действием поля, если две молекулы подходят слишком близко друг к другу, они могут обмениваться кинетической энергией, но в то же время они выстраиваются таким образом, что отталкивают друг друга и быстро движутся в разные стороны.

Натриевый лазер, генерирующий желтый свет для лазерного охлаждения и визуализации атомов натрия. Изображение: Общество Макса Планка

Для создания микроволнового поля с требуемыми свойствами исследователи поместили спиральную антенну под оптическую ловушку, содержащую газ из молекул натрия-калия. В этой экспериментальной установке молекулы стали сталкиваться гораздо чаще, в среднем около 500 раз на молекулу.

В результате всего через треть секунды температура достигла примерно 21 нК, что значительно ниже критической «температуры Ферми», предела ниже которого квантовые эффекты определяют поведение газа.

Исследователи считают, что новая технология охлаждения позволит создавать и изучать различные квантовые формы материи, которые ранее были предсказаны теоретически.

Фото на обложке: художественное изображение микроволнового холодильника для газа. Источник: Общество Макса Планка


Читать далее:

Сверхзвуковой самолет будет летать со скоростью 2 000 км/ч и пересечет океан за 3,5 часа

Ученые сняли на видео странное существо с щупальцами, которое приняли за цветок

Создан квантовый компьютер, который «вышел за пределы двоичной системы»