Физики получили ультрахолодный молекулярный квантовый газ

Американские физики впервые получили управляемое состояние ультрахолодного молекулярного квантового газа, которое может иметь множество практических приложений — от приборов сверхточных измерений до квантовых вычислений. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature.

В классическом понимании газ состоит из большого числа хаотически двигающихся частиц. Когда газ охлаждается почти до абсолютного нуля, молекулы перестают вести себя как частицы и приобретают свойства волн, которые перекрываются. Это состояние называют квантовым газом, а температура перехода молекулярного газа в квантовое состояние — температурой вырождения.

Свойства квантового газа зависят от степени его вырождения, когда молекулы газа как частицы отталкиваются друг от друга, но взаимодействуют на больших расстояниях благодаря своим перекрывающимся волнам, электрическим дипольным моментам и другим характеристикам.

Исследователи из JILA — совместного учреждения Национального института стандартов и технологий США (NIST) и Университета Колорадо в Боулдере — разработали инструменты для "включения" состояния ультрахолодного молекулярного квантового газа и контроля над межмолекулярными взаимодействиями на больших расстояниях.

Ультрахолодные квантовые газы потенциально могут найти применение в приборах сверхточных измерений, для моделирования экстремальных состояний материи, создания квантовых многочастичных систем и в квантовых вычислениях.

По мнению авторов, новая схема подталкивания молекулярного газа к его низшему энергетическому состоянию, называемому квантовым вырождением, при котором подавляются химических реакции, разрушающие молекулы, позволят исследовать экзотические квантовые состояния, в которых все молекулы взаимодействуют друг с другом.

"Удаленные взаимодействия молекул могут дать начало экзотической квантовой физике и новому контролю в квантовой информатике, — приводятся в пресс-релизе NIST слова руководителя исследования Джун Йе (Jun Ye) из института JILA. — Однако до сих пор никто не придумал, как "включить" эти удаленные взаимодействия в массивном газе".

"Теперь все это изменилось. Наша работа впервые показала, что можно использовать электрическое поле, чтобы управлять молекулярными взаимодействиями, а потом продолжить охлаждение и начать изучать коллективную физику, в которой все молекулы связаны друг с другом", — продолжает Йе.

Ученые давно пытались научиться контролировать ультрахолодные молекулы так же, как они управляют атомами, используя для этого полярность молекул, то есть противодействие электрическим зарядам. Но удалось это только сейчас.

Исследователи создали при температуре 250 нанокельвинов — чуть выше абсолютного нуля — плотный газ из примерно двадцати тысяч дипольных молекул калия-рубидия, которые в электрическом поле ведут себя как крошечные магниты, из-за того, что атомы рубидия обладают положительным зарядом, а атома калия — отрицательным.

Чтобы получить такие молекулы, авторы загрузили смесь газовых атомов в вертикальную стопку тонких пластинчатых ловушек из лазерного света, называемых оптической решеткой. Между пластинами решетки атомы удерживались в вертикальном положении. Затем исследователи использовали магнитные поля и лазеры, чтобы связать пары атомов в молекулы.

После этого, разместив молекулярное облако в центре нового шестиэлектродного узла, образованного двумя стеклянными пластинами и четырьмя вольфрамовыми стержнями, исследователи создали регулируемое электрическое поле.

Эта среда обеспечивала эффективное испарительное охлаждение газа до температуры ниже начала квантового вырождения. Процесс охлаждения удалял самые горячие молекулы из решеточной ловушки и позволял оставшимся молекулам адаптироваться к более низкой температуре за счет упругих столкновений.

Медленное включение горизонтального электрического поля в течение сотен миллисекунд уменьшало силу ловушки в одном направлении на время, достаточное для того, чтобы горячие молекулы вылетали, а оставшиеся молекулы охлаждались. В конце этого процесса молекулы вернулись в свое наиболее стабильное состояние, но теперь в более плотном газе.

Авторы отмечают, что разработанный ими метод можно применять для получения ультрахолодных квантовых газов, состоящих и из других полярных молекул.