Ученые из Йельского университета охладили молекулы до рекордного минимума
Недавно группе
ученых-физиков из Йельского университета удалось охладить молекулы до
самой низкой температуры, что можно считать своего рода рекордом в
истории науки. Молекулы, которые использовали ученые, это молекулы
монофторида стронция (strontium monofluoride, SrF), а температура, до
которой они были охлаждены, составила всего 2.5 тысячных градуса выше
абсолютного ноля. Достижение столь низкой температуры является важной
вехой в современной физике, которая позволит ученым проводить
исследования в области квантовой химии, проверку основных теорий физики
элементарных частиц и многое другое.
"Теперь мы получили
возможность изучать химические реакции, которые протекают только при
температурах, близких к абсолютному нолю" - рассказывает Дэйв Демий
(Dave DeMille), профессор физики и руководитель данного проекта, -
"Кроме этого, мы получили шанс узнать много нового о фундаментальных
химических механизмах и физических процессах".
Для охлаждения
молекул SrF ученые использовали метод удержания молекулы в
магнитно-оптической ловушке (Magneto-Optical Trapping MOT), достаточно
распространенный в среде физиков метод, который ранее использовался для
охлаждения отдельных атомов. Основу этого метода составляют специальные
лазеры, свет которых используется одновременно для охлаждения и
удерживания частиц. Но, из-за сложных колебательных и вращательных
процессов, которыми отличаются молекулы от простых атомом, MOT-метод не
очень подходит для улавливания отдельных молекул.
Тем не менее,
группа Дэйва Демия создала сложную установку в одной из лабораторий,
располагающихся в подвальном помещении университета. Эта установка
является тщательно продуманной конструкцией из компьютеров,
электрических деталей, зеркал, криогенных охладителей, перепутанных
паутиной проводов. В составе этой установки находятся 12 лазеров,
которые излучают свет определенной длины волны, точность которой
поддерживается до девятого знака после запятой.
Установка
действует следующим образом - специальное устройство впрыскивает в
рабочее пространство облако атомов SrF, предварительно охлажденных до
криогенной температуры. При помощи электрических и магнитных полей это
облако фокусируется в луч молекул, которые начинают замедляться при
помощи встречного луча лазерного света. "Это походит на попытку
замедления шара для боулинга ударами шариков для пинг-понга" -
рассказывает Дэйв Демий, - "Для того, чтобы добиться успеха при таком
подходе, требуется делать это все очень быстро и очень очень много раз".
После
замедления молекулы SrF попадают в магнитное поле определенной
конфигурации. Центральную область, где и находятся молекулы, с трех
перпендикулярных направлений пронизывают лучи света лазеров. Комбинация
магнитного поля и трех лучей лазерного света и является той ловушкой,
которая удерживает молекулы SrF на одном месте.
"Законы квантовой
механики позволяют нам получить силы, которые удерживают молекулы,
находящиеся практически в идеальном вакууме" - рассказывает Дэйв Демий, -
"И точная регулировка нескольких параметров лучей света позволяет нам
охлаждать эти молекулы до немыслимо низких температур".
Ученые
выбрали молекулу монофторида стронция из-за ее простой структуры, ведь у
нее имеется лишь один электрон, который вращается по круговой орбите
вокруг всей молекулы. А для охлаждения более сложных молекул может
потребоваться более сложные и дорогостоящие установки, но это уже будет
следующими шагами, которые намерены предпринять ученые в недалеком
будущем.
