Но ученые давно подозревали, что если температура упадет почти до абсолютного нуля, молекулы с визгом остановятся, прекратят свое индивидуальное хаотическое движение и будут вести себя как одно коллективное тело. Это более упорядоченное молекулярное поведение начало бы формировать очень странные, экзотические состояния материи — состояния, которые никогда не наблюдались в физическом мире.Теперь физики-экспериментаторы из Массачусетского технологического института успешно охладили молекулы в газе натрий-калий (NaK) до температуры 500 нанокельвинов — всего на волосок выше абсолютного нуля и более чем в миллион раз холоднее, чем межзвездное пространство.
Исследователи обнаружили, что ультрахолодные молекулы были относительно долгоживущими и стабильными, сопротивляясь реактивным столкновениям с другими молекулами. Молекулы также демонстрируют очень сильные дипольные моменты — сильные дисбалансы в электрическом заряде внутри молекул, которые передают магнитоподобные силы между молекулами на больших расстояниях.Мартин Цвиерлейн, профессор физики Массачусетского технологического института и главный исследователь в исследовательской лаборатории электроники Массачусетского технологического института, говорит, что, хотя молекулы обычно полны энергии, вибрируют, вращаются и движутся в пространстве с бешеной скоростью, ультрахолодные молекулы группы эффективно успокаиваются — — охлаждают до средней скорости сантиметров в секунду и готовят в абсолютно низком вибрационном и вращательном состояниях.«Мы очень близки к температуре, при которой квантовая механика играет большую роль в движении молекул», — говорит Цвиерляйн. «Таким образом, эти молекулы больше не будут бегать, как бильярдные шары, а будут двигаться как квантово-механические волны материи.
А с ультрахолодными молекулами вы можете получить огромное количество различных состояний материи, таких как сверхтекучие кристаллы, которые являются кристаллическими, но не испытывают трения. , что совершенно странно. Пока это не наблюдалось, но предсказывалось. Возможно, мы недалеко от того, чтобы увидеть эти эффекты, поэтому мы все взволнованы ».Цвиерлейн вместе с аспирантом Джи Ву Пак и постдоком Себастьяном Уиллом — все они являются членами Гарвардского центра ультрахолодных атомов Массачусетского технологического института — опубликовали свои результаты в журнале Physical Review Letters.
Отсос 7500 кельвиновКаждая молекула состоит из отдельных атомов, которые связаны вместе, образуя молекулярную структуру.
Простейшая молекула, напоминающая гантель, состоит из двух атомов, связанных электромагнитными силами. Группа Цвиерлейна стремилась создать ультрахолодные молекулы натрия-калия, каждая из которых состоит из одного атома натрия и калия.
Однако из-за их множества степеней свободы — поступательного движения, вибрации и вращения — непосредственное охлаждение молекул очень сложно. Атомы с их гораздо более простой структурой намного легче охладить.
В качестве первого шага команда Массачусетского технологического института использовала лазеры и испарительное охлаждение, чтобы охладить облака отдельных атомов натрия и калия почти до абсолютного нуля. Затем они по существу склеили атомы вместе, чтобы сформировать ультрахолодные молекулы, применяя магнитное поле, чтобы заставить атомы связываться — механизм, известный как «резонанс Фешбаха», названный в честь покойного физика Массачусетского технологического института Германа Фешбаха.«Это как настроить радио так, чтобы оно находилось в резонансе с какой-нибудь станцией», — говорит Цвирлайн. «Эти атомы начинают счастливо вибрировать вместе и образуют связанную молекулу».
Получающаяся в результате связь относительно слабая, создавая то, что Цвиерлейн называет «пушистой» молекулой, которая все еще довольно сильно колеблется, поскольку каждый атом связан длинной, тонкой связью. Чтобы сблизить атомы и создать более прочную и стабильную молекулу, команда использовала метод, о котором впервые сообщили в 2008 году группы из Университета Колорадо для молекул калия рубидия (KRb) и Университета Инсбрука для неполярных. молекулы цезия (Ce2).Для этого метода недавно созданные молекулы NaK подвергались воздействию пары лазеров, большая разница частот которых точно соответствовала разнице энергий между исходным, сильно колеблющимся состоянием молекулы и ее минимально возможным колебательным состоянием. Из-за поглощения низкоэнергетического лазера и излучения высокоэнергетического лазерного луча молекулы потеряли всю свою доступную колебательную энергию.
С помощью этого метода группа Массачусетского технологического института смогла перевести молекулы в их низшие колебательные и вращательные состояния — огромное падение энергии.«Что касается температуры, мы отсосали 7500 кельвинов, вот так, — говорит Цвиерляйн.Химически стабильный
В своей более ранней работе группа из Колорадо обнаружила существенный недостаток своих ультрахолодных молекул калия-рубидия: они были химически активными и по существу распадались при столкновении с другими молекулами. Эта группа впоследствии заключила молекулы в кристаллы света, чтобы подавить такие химические реакции.Группа Цвиерлейна решила создать ультрахолодные молекулы натрия-калия, так как эта молекула химически стабильна и, естественно, устойчива к реактивным столкновениям молекул.«Когда две молекулы калия и рубидия сталкиваются, это более выгодно для двух атомов калия и двух атомов рубидия», — говорит Цвиерляйн. «Оказывается, с нашей молекулой, натрием-калием, эта реакция не является энергетически благоприятной.
Этого просто не происходит».В своих экспериментах Парк, Уилл и Цвиерлейн наблюдали, что их молекулярный газ действительно стабилен с относительно долгим временем жизни, продолжающимся около 2,5 секунд.«В случае, когда молекулы химически реактивны, у человека просто нет времени изучать их в объемных образцах: они распадаются, прежде чем их можно будет охладить, чтобы наблюдать интересные состояния», — говорит Цвиерляйн. «В нашем случае мы надеемся, что наша жизнь достаточно длинна, чтобы увидеть эти новые состояния материи».Сначала охладив атомы до сверхнизких температур и только затем сформировав молекулы, группе удалось создать ультрахолодный газ из молекул, в тысячу раз холоднее, чем можно получить с помощью методов прямого охлаждения.
По словам Цвиерляйн, чтобы увидеть экзотические состояния материи, молекулы необходимо охладить еще немного, чтобы они практически не застыли на месте. «Сейчас у нас 500 нанокельвинов, и это уже фантастика, нам это нравится. В 10 раз холоднее или около того, и музыка начинает играть».
Это исследование было частично поддержано Национальным научным фондом, Управлением научных исследований ВВС, Управлением армейских исследований и Фондом Дэвида и Люсиль Паккард.