С помощью лазерной техники исследователям удалось охладить молекулу-диполь практически до абсолютного нуля (около –273°C). Это достижение является важным этапом в получении ультраохлажденной материи нового типа, которая может применяться во многих областях – от химии до квантовых компьютеров.
Эдвард Шуман (Edward Shuman), Джон Барри (John Barry) и Дэвид ДеМилле (David DeMille) из Йельского Университета смогли охладить монофторид стронция (SrF) до десятых долей милликельвина. Их работа является первой демонстрацией возможности охлаждения молекулы с помощью лазера.
Физики давно пытаются получить ультраохлажденную материю. При охлаждении атомов до температуры лишь на микрокельвины выше абсолютного нуля они начинают подчиняться законам квантовой механики. Колебания атомов, связанные с их низкими энергетическими состояниями, могут использоваться в ультрачувствительных акселерометрах и квантовых часах, сами атомы при таком охлаждении могут связываться, образуя квантовый «супер-атом», известный как конденсат Бозе-Эйнштейна.
Чтобы экспериментально изучить квантово-механические основы химии исследователи из группы ДеМилле попытались охладить не атомы, а полярные молекулы. Разделение зарядов на полярных молекулах может помочь исследователям создать системы, в которых будет достаточно легко реализовываться взаимодействие между частицами, что не так просто осуществить для отдельных атомов.
Охладить молекулы сложнее, чем индивидуальные атомы. Охлаждение атомов проводят с помощью лазеров – атомы поглощают фотоны и снова испускают их, теряя при этом часть кинетической энергии. После тысяч таких соударений атомы охлаждаются до такой степени, что лишь миллиардные доли градуса отделяют их от абсолютного нуля.
Однако такой подход достаточно сложно реализовать для молекул. Молекулы тяжелее атомов, и поэтому они менее чувствительны к действию излучения лазера. Также, в отличие от атомов, энергия, принимающаяся молекулами в результате воздействия лазерного луча, может переходить в колебательную и вращательную энергию молекулы. И большая масса, и возможность «запасания энергии в химических связях» в разы осложняет охлаждение молекул по сравнению с охлаждением атомов.
Ранее ультраохлажденные молекулы получали, охлаждая отдельные атомы и затем, получая из них молекулы, однако ДеМилле захотел охладить сразу молекулу, для чего исследователям из его группы пришлось пойти на ряд ухищрений. В первую очередь, исследователи выбрали частицу SrF, в которой в соответствии с расчетами, колебания связи Sr–F были маловероятны, что, по мнению ученых должно было упростить процесс охлаждения. Также они подобрали такую частоту излучения лазера, поглощение которого не должно было вызывать вращение молекул. Помимо прочего, исследователи использовали новый источник частиц SrF, лучше справлявшийся с их предварительным охлаждением, чем ранее. ДеМилле отмечает, что предложенные исследователями решения позволили охладить SrF до 300 микрокельвинов.
Специалист по химии ультраохлажденных систем Юн Е (Jun Ye) отмечает, что хотя полученные группой ДеМилле температуры нельзя назвать экстремально низкими, демонстрация принципиальной возможности охлаждения молекул в целом представляет собой исключительный результат. Он надеется, что разработанные исследователями из Йеля подходы позволят перевести в ультраохлажденное состояние и другие молекулы.
ДеМилле полагает, что ультраохлажденные молекулы в перспективе могут найти применение в создании квантовых компьютеров. Он подчеркивает, что их электромагнитные характеристики позволяют частицам взаимодействовать друг с другом, что сделает их полезными объектами для выполнения квантовых расчетов, которые, в свою очередь, смогут справиться с расчетными задачами, в настоящее время недоступными даже для суперкомпьютеров с традиционной архитектурой.
