Иллюстрация: Hyungmok Son, et al. / Nature. Группа американских физиков охладила молекулы натрия-лития до температуры 220 нанокельвинов, столкнув их с ультрахолодными атомами натрия. Результаты этого интересного исследования опубликованы в знаменитом журнале Nature. Испарительное охлаждение используется как для понижения температуры нашего тела, когда мы потеем, так и для охлаждения помещений и приборов. Природа этого явления заключается в том, что горячие частицы в охлажденной системе сталкиваются с холодными частицами, передавая свой импульс холодным частицам, которые затем 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.
Экспериментальная установка. Hyungmok Son, et al. / Nature
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.
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
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
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.
Автор: Михаил Перельштейн
Источник: https://nplus1.ru/
