Охлаждение молекул
Физики сейчас регулярно охлаждают атомы до температуры, близкой к абсолютному нулю. Почти неподвижные частицы позволяют не только все лучше управлять своими свойствами, но и совершенно новыми состояниями материи. Однако установившиеся процессы охлаждения не могут быть просто перенесены на молекулы, потому что закономерности их движения гораздо сложнее - они вращаются и вибрируют сами по себе. Команда из Университета Колорадо в Боулдере, штат Колорадо, добилась успеха. С помощью его метода в будущем можно будет изучать ультрахолодные химические реакции и, возможно, даже открывать новые явления.
Ученые под руководством Бенджамина Штуля впервые разработали магнитную ловушку для захвата около миллиона гидроксильных радикалов - каждый атом водорода связан с одним атомом кислорода. Температура всего газового облака является результатом вклада отдельных частиц, распределяющих свою энергию между собой за счет упругих столкновений. Чтобы охладить систему, исследователи удалили из ловушки те молекулы, энергия которых была выше средней. При этом они воспользовались тем, что холодные представители собираются в середине их ловушки, а более теплые остаются в краевых областях. С помощью микроволновых импульсов разных частот они приближались все ближе и ближе к центру и, таким образом, переводили нежелательные молекулы в другое энергетическое состояние. Затем эти частицы можно было вытолкнуть из ловушки с помощью электрического поля.
Используя так называемое испарительное охлаждение, Штуль и его коллеги довели молекулярный газ примерно с 50 до менее чем 5 милликельвинов, то есть до нескольких тысячных долей градуса Цельсия выше абсолютного нуля. Кроме того, оставшееся молекулярное облако было в 1000 раз плотнее, чем раньше. Однако, по словам физиков, с помощью этого процесса можно достичь гораздо более низких температур. В дополнение к химии этих ультрахолодных молекул, возможно, тогда можно было бы также исследовать экзотические состояния агрегации, такие как конденсат Бозе-Эйнштейна, в котором все частицы в системе принимают одно и то же квантово-механическое состояние. Ультрахолодные молекулы также можно использовать в качестве квантовых симуляторов для имитации сложных физических систем или отдельных частиц в качестве квантовых воспоминаний.
Испарительное охлаждение атомов используется уже более двух десятилетий. Молекулы, однако, считались для этого мало пригодными, так как обычно они вырываются из ловушки еще до того, как их охладили. Однако в случае гидроксильных молекул эти потери меньше, поскольку ответственные столкновения между частицами из-за отталкивающего взаимодействия между ними происходят сравнительно редко, как предполагают исследователи на основе теоретических моделей. Молекулы гидроксила играют важную роль, например, в космических газовых облаках, в земной атмосфере или в процессах горения. Этот метод также может быть применим к другим интересным с химической точки зрения типам молекул.
Физики теперь охлаждают атомы до температуры в диапазоне нанокельвинов. Затем такие ультрахолодные частицы можно объединить в молекулы и исследовать, но с помощью этого метода доступны только несколько типов молекул. В другом методе используется так называемый эффект Штарка для охлаждения полярных молекул с помощью электрических полей, что в настоящее время возможно вплоть до двузначного диапазона милликельвинов.