Физики из Института квантовой оптики общества Макса Планка (Max-Planck-Institut für Quantenoptik) разработали методику охлаждения до сверхнизких температур для газов, состоящих из многоатомных молекул. Она позволяет охладить полярные молекулы до температуры в несколько нанокельвинов. Техника охлаждения до подобных температур для газов из одноатомных молекул известна, но её использование для полярных молекул упирается в трудности: при низких температурах, то есть заведомо низких кинетических энергиях частиц газа, молекулярные диполи начинают слипаться. Преодолеть эту трудность удалось при помощи экранирования молекул во вращающемся электромагнитном поле микроволнового диапазона. В результате газ из двухатомных молекул с атомами натрия и калия (NaK) охладили до температуры 21 нанокельвин.
Когда газ под низким давлением охлаждают до очень низких температур вблизи абсолютного нуля (−273° C), в нём развиваются необычные явления. Некоторые газы формируют так называемый конденсат Бозе—Эйнштейна — тип вещества, в котором все атомы движутся синхронно. Другой пример — supersolidity. Это состояние, в котором вещество ведёт себя как жидкость без трения, имеющая периодическую структуру, как у кристалла. Физики надеются обнаружить при сверхнизких температурах особенное разнообразие новых квантовых состояний вещества в газах с полярными молекулами. В таких молекулах электрических заряд распределён неравномерно — молекула является электрическим диполем. Обычная молекула воды H2O — также дипольная, с чем связаны многие характеристики воды, ключевые для развития жизни. Молекулы обладают дополнительными степенями свободы по сравнению с одноатомными газами — они могут вращаться вокруг трёх осей, их атомы могут колебаться друг относительно друга (молекулярные колебания), а сами такие молекулы могут притягиваться или отталкиваться за счёт взаимодействия дипольных моментов. Также молекулярные газы очень сложно охладить до ультрахолодных температур.
Исследователи использовали газ из специфических молекул — комбинации атомов натрия и калия (NaK). Молекулы были заперты в оптической ловушке при помощи лазерного луча. Для охлаждения использовался популярный у экспериментаторов метод — охлаждение с испарением. Это такой же процесс, что и при охлаждении чашки с горячим напитком. Его физическая суть — постоянный обмен энергией между молекулами при столкновениях. В результате столкновений молекулы воды приобретают случайным образом разные скорости в пределах большого разброса. Молекула с большой кинетической энергией имеет шанс покинуть жидкость и попасть в газовую фазу — пар над чашкой. Поэтому «горячие» молекулы постоянно вылетают из неё, а остаются в среднем более холодные молекулы, соответственно её температура постепенно уменьшается. В лаборатории таким образом можно охладить газ до очень низких температур — миллиардных долей градуса над абсолютным нулём (0 K, или −273,15 °C).
Но если газ состоит не из отдельных атомов, а из молекул, при очень низких температурах такая структура нуждается в дополнительной стабилизации. Молекулы имеют более сложное строение по сравнению с несвязанными атомами, и их взаимодействие при соударениях контролировать труднее. Например, молекулы могут просто слипаться. Так, полярные молекулы могут притягиваться разноимёнными полюсами, как железные опилки возле магнита. Такое нежелательное взаимодействие особенно проявляется при низких температурах, когда кинетическая энергия движения маленькая. В последние годы это было серьёзным препятствием в подобных экспериментах с работой вблизи абсолютного нуля.
Для преодоления этого препятствия исследователи использовали ухищрение: на систему воздействовали дополнительным электромагнитным полем, которое сыграло роль энергетического барьера для молекул, не давая им слипаться. Такой барьер удалось создать в сильном поле микроволнового диапазона с круговой поляризацией. Микроволновые частоты — это как раз диапазон частот молекулярных колебательных и вращательных степеней свободы. Под действием такого поля молекулы вращаются с большой частотой. Если две молекулы подходят близко друг к другу, они обмениваются кинетической энергией, но в то же время выстраиваются друг по отношению к другу в такой конфигурации, в которой между ними действуют силы отталкивания.
Для создания микроволнового поля с требуемыми характеристиками под оптической ловушкой, содержащей газ из молекул Na-K, поместили винтовую антенну, как раз создающую круговую поляризацию излучения. Под воздействием поля активируются силы взаимодействия между молекулами. В результате молекулы сталкиваются между собой чаще, чем без вращательного микроволнового поля — частота соударений на одну молекулу увеличилась в 500 раз. Этого оказалось достаточно для охлаждения газа до температуры, близкой к абсолютному нулю посредством испарения вещества.
За примерно 0,3 секунды эксперимента температура опустилась до 21 нанокельвина. Это сильно меньше критической температуры Ферми — предела, за которым поведение газа определяется квантовыми эффектами и в нём происходят разные «странные», то есть неинтуитивные с классической точки зрения вещи. Достигнутый предел температуры — рекорд для полярных молекул. Вероятно, сам принцип охлаждения с микроволновым экранированием позволяет продвинуться ещё дальше, и дело в усовершенствовании техники эксперимента.
Результаты могут иметь широкое применение в исследовании квантовых явлений и квантовых состояний вещества. Эта технология охлаждения принципиально простая, так, что её можно легко интегрировать с имеющимися экспериментальными установками для исследования ультрахолодных полярных молекул. При этом можно исследовать «экзотические» квантовые состояния вроде супержидкостей или сверхтекучих тел (supersolids). В перспективе методику можно использовать и для квантовых технологических процессов. Например, в области квантовых вычислений можно рассмотреть ультрахолодные молекулы как возможный носитель для хранения данных. Отметим, что такое направление в квантовых вычислениях действительно существует и разрабатывается в течении последних лет.
