Создан холодильник от MIT с супер-охлаждением молекулы до температуры нанокельвина

Техника может позволить квантовые вычисления на основе молекул. В течение многих лет ученые искали способы охлаждения молекул до ультрахолодных температур, после чего молекулы должны замедляться до ползания, что позволяет ученым точно контролировать свое квантовое поведение. Это может позволить исследователям использовать молекулы в качестве сложных элементов для квантовых вычислений, настраивая отдельные молекулы, например крошечные ручки, для одновременного выполнения нескольких потоков вычислений.

В то время как ученые имеют переохлажденные атомы, сделать то же самое для молекул, которые являются более сложными по своему поведению и структуре, оказалось гораздо более сложной задачей.

Теперь физики Массачусетского технологического института нашли способ охладить молекулы лития натрия до 200 миллиардов Кельвина, что на волосок выше абсолютного нуля. Они сделали это, применив технику, называемую коллизионным охлаждением, в которой они погрузили молекулы холодного лития натрия в облако еще более холодных атомов натрия. Ультрахолодные атомы действовали как хладагент, чтобы охлаждать молекулы еще больше.

Коллизионное охлаждение – это стандартная техника, используемая для охлаждения атомов с использованием других, более холодных атомов. И в течение более десяти лет исследователи пытались переохлаждать ряд различных молекул, используя коллизионное охлаждение, и обнаружили, что когда молекулы сталкиваются с атомами, они обмениваются энергией таким образом, что молекулы нагреваются или разрушаются в процессе, называемом “Плохие столкновения”.

В своих собственных экспериментах исследователи из Массачусетского технологического института обнаружили, что если молекулы натрия и лития и атомы натрия вращаются одинаково, они могут избежать саморазрушения и вместо этого участвовать в хороших столкновениях, когда атомы отнимают молекулы энергии в виде тепла. Команда использовала точный контроль магнитных полей и сложную систему лазеров, чтобы воспроизвести процесс вращательного движения молекул. В результате смесь атом-молекула имела высокое соотношение хороших и плохих столкновений и была охлаждена с 2 микрокельвинов до 220 нанокельвинов.

“Коллизионное охлаждение было рабочей лошадкой для охлаждения атомов”, – добавляет лауреат Нобелевской премии Вольфганг Кеттерле, профессор физики им. Джона Д. Артура в Массачусетском технологическом институте. – “Я не был уверен, что наша схема сработает, но поскольку мы не знали наверняка, нам пришлось попробовать. Теперь мы знаем, что он работает для охлаждения молекул натрия и лития. Будет ли это работать для других классов молекул, еще неизвестно”.

Их результаты, опубликованные сегодня в журнале Nature, отмечают, что впервые исследователи успешно использовали коллизионное охлаждение для охлаждения молекул до температур нанокельвина.

Достижение сверхнизких температур

В прошлом ученые обнаружили, что когда они пытались охладить молекулы до ультрахолодных температур, окружая их еще более холодными атомами, частицы сталкивались так, что атомы передавали дополнительную энергию или вращение молекулам, отправляя их из ловушки, или самоуничтожение всех вместе химическими реакциями.

Исследователи Массачусетского технологического института задались вопросом, могут ли молекулы и атомы, имеющие одинаковое вращение, избежать этого эффекта и оставаться в результате ультрахолодными и стабильными. Они пытались проверить свою идею с натриевым литием, двухатомной молекулой, состоящей из одного лития и одного атома натрия, с которой регулярно экспериментирует группа Кеттерле.

“Молекулы натрия-лития сильно отличаются от других молекул, которые пробовали люди”, – говорит Джемисон. – “Многие ожидали, что эти различия сделают охлаждение еще менее вероятным. Однако у нас было ощущение, что эти различия могут быть преимуществом, а не ущербом”.

Исследователи настроили систему из более чем 20 лазерных лучей и различных магнитных полей для захвата и охлаждения атомов натрия и лития в вакуумной камере, вплоть до примерно 2 микрокельвинов – температура, по словам Сона, оптимальна для связи атомов в виде молекулы натрия лития.

Как только исследователи смогли произвести достаточно молекул, они излучали лазерные лучи определенных частот и поляризаций, чтобы контролировать квантовое состояние молекул, и тщательно настраивать микроволновые поля, чтобы атомы вращались так же, как молекулы. “Затем мы делаем холодильник холоднее и холоднее”, – говорит Сон, имея в виду атомы натрия, которые окружают облако вновь образованных молекул. – “Мы снижаем мощность лазера-ловушки, делая оптическую ловушку все более и более слабой, что снижает температуру атомов натрия и дополнительно охлаждает молекулы до 200 миллиардов долей кельвина”.

Группа наблюдала, что молекулы могли оставаться при этих ультрахолодных температурах до одной секунды. “В нашем мире секунда очень длинная”, – говорит Кеттерле. – “То, что вы хотите сделать с этими молекулами, – это квантовые вычисления и исследование новых материалов, и все это можно сделать за доли секунды”.

Если команда сможет сделать молекулы натрия-лития примерно в пять раз холоднее, чем то, чего они достигли до сих пор, они достигнут так называемого режима квантового вырождения, когда отдельные молекулы становятся неразличимыми, а их коллективное поведение контролируется квантовой механикой. У Сона и его коллег есть несколько идей, как этого добиться, что потребует нескольких месяцев работы по оптимизации их настройки, а также приобретения нового лазера для интеграции в их установку.

“Наша работа приведет к дискуссии в нашем сообществе, почему коллизионное охлаждение сработало для нас, а не для других, – говорит Сон, – возможно, у нас скоро появятся прогнозы, как другие молекулы могут охлаждаться таким образом”

Это исследование финансировалось, в частности, Национальным научным фондом, НАСА и стипендией Samsung.

По материалам scitechdaily.com