Молекули, охолоджені до абсолютного нуля, щойно побили новий рекорд фізики

Єгоров Артем/Shutterstock

Двоступеневий процес охолодження за допомогою лазерів дозволив фізикам підштовхнути молекули монофториду кальцію до рекордно низької температури, руйнуючи бар’єр, який досі був непрохідним.

Кілька десятиліть тому охолодження окремих атомів майже до абсолютного нуля відкрило новий світ досліджень для фізиків елементарних частинок. Цей останній прорив також може стати благодатним ґрунтом для вивчення того, як поводяться атоми, коли вони зв’язані разом як молекули.

Процес рекордного охолодження, виконаний дослідниками з Центр холодної матерії в Імперському коледжі Лондона не дуже відрізняється від тих, які використовуються для охолодження атомів.



Рухома частинка — це гаряча частинка, тобто, щоб охолодити атом або молекулу, вам потрібно просто сповільнити її дзижчання.

Один із способів зробити це — скористатися перевагами того, як атоми поглинають і випромінюють кванти світла, потенційно втрачаючи деяку кількість імпульсу в процесі.

Лазер, налаштований на певну частоту, спрямований на атоми, захоплені в замкнутому просторі магнітним полем.

Якщо атом віддаляється від світла, частота, яку він відчуває, дорівнює Доплерівський зсув трохи до червоного краю спектра. Якщо частинка рухається в промінь, частота, що потрапляє на неї, зсувається до синього кінця.

Правильна частота означає, що атоми, що рухаються в лазер із заданою швидкістю, можуть поглинати фотон світла. Це піднімає один із його електронів на новий енергетичний рівень, який потім випускає фотон у випадковому напрямку, коли опускається.

Поширюючись на частинки, це випромінювання фотонів означає загальне зменшення імпульсу для атомів, поступово сповільнюючи їх.

Цей процес, званий доплерівським охолодженням, може лише охолодити частинки, оскільки енергія, втрачена через випромінювання фотонів, збалансована енергією, яку атоми отримують у пастці.

Окремі атоми можуть бути охолоджені за межі цього т.зв Доплерівська межа з різними іншими методами, дозволяючи фізикам досягати неймовірних температур 50 трильйонних кельвіна , або 0,00000000005 градусів вище абсолютного нуля.

Але досі фізикам це вдавалося лише змушують атоми утворювати молекули на холоді, або охолодити існуючі молекули фториду стронцію до температур вище межі Доплера.

Поєднані разом у більш складні системи, атоми просто не так надійно реагують на ті самі трюки охолодження.

Щоб розширити межі, дослідники утримували групу молекул монофториду кальцію на місці за допомогою комбінації магнітних полів і лазерів, які називаються магнітооптична пастка .

Цього було достатньо, щоб знизити їх до межі Доплера. Щоб вийти за межі, дослідники використали другий метод, який називається Сізіфове охолодження .

Якщо ти пам'ятаєш свої грецькі міфи, королю Сізіф був приреченою душею, яка була змушена вічно штовхати камінь на гору лише для того, щоб він перекотився вниз на інший бік, і все тому, що він був таким правителем, який любив убивати своїх гостей.

Ця нескінченна програма тренувань — це саме те, щоб позбавити їх енергії.

Замість гори фізики використовують пару протилежних лазерів, поляризованих таким чином, щоб змусити частинку підніматися на пагорб енергії, втрачаючи при цьому імпульс.

Це дозволило дослідникам знизити температуру монофториду кальцію до 50 мікрокельвінів, або 50 мільйонних градусів вище абсолютного нуля.

Це ще далеко від того, наскільки холодно ми можемо створювати окремі атоми, але це краще, ніж попередній рекорд 400 мікрокельвінів здійснюється за допомогою молекул фториду стронцію.

Теоретична температурна стінка абсолютного нуля схожа на парадокс Зенона у фізиці елементарних частинок – ми можемо відрізати лише частку енергії від рухомої частинки, зробивши її математична неможливість що частинка ніколи не може мати тепла.

Але прагнення до цієї нескінченної мети дозволило нам вивчати частинки у безпрецедентних деталях , демонструючи нову дивну поведінку і дозволяє нам вивчити, як взагалі виникають сили, що утримують їх разом.

Безсумнівно, це нове обмеження допоможе розширити наші знання про те, як хімія працює на фундаментальному рівні.

Це дослідження було опубліковано в Фізика природи .

Про Нас

Публікація Незалежних, Перевірених Фактів Звітів Про Здоров'Я, Космос, Природу, Технології Та Навколишнє Середовище.