Учёные охладили молекулы NaLi до 220 нанокельвин

Испарительное охлаждение молекул используется для понижения уровня колебательной энергии атомов. Этот процесс сравним с тем, что происходит в нашем теле: испарительное охлаждение необходимо для того, чтобы освободить клетки нашего тела от излишней энергии и высокой температуры путем передачи импульса от горячих частиц к частицам охладителя. Последние покидают систему, в результате чего происходит испарение и, тем самым, поверхность тела охлаждается.

Если вернуться к лабораторному охлаждению молекул, то в этот процесс включается электромагнитное поле, которое взаимодействует с атомами путем их улавливания в оптическую ловушку. Спустя определенное время эти атомы взаимодействуют друг с другом, приобретая неравномерную активность внутри ловушки. Самые подвижные из них, обладающие высоким уровнем энергии, вырываются из ловушки, в результате чего снижается энергетический уровень системы с оставшимися атомами. Здесь же происходит и снижение температуры. Всё это именуется охлажденными квантовыми системами, которые нередко используются, например, в роли симуляторов систем ядерной физики.

Еще 15 лет назад о таком исследовании учёные только мечтали из-за существующих ограничений в возможностях подобных симуляторов. Температуры, которые можно было достичь в эксперименте с молекулами, редко преодолевали порог в десятки микрокельвинов. Но только благодаря современным технологиям и усовершенствованным испытательным машинам, ученым-физикам удалось достичь успеха на этом поприще.

Физики взялись за попытку охладить молекулы NaLi до той температуры, к которой им ещё не удавалось приблизиться. Речь идет об испарительном охлаждении порядка 30 тыс. молекул вещества до температуры 220 нанокельвин. Они предварительно загнали в оптическую ловушку около 100 тыс. атомов натрия и подключили электромагнитное поле, удерживающее частицы внутри системы. Наблюдая за атомами некоторое время, была отмечена их активность в результате столкновения друг с другом. Молекулы и атомы при взаимодействии повышали друг другу температуру и энергию, в результате чего часть атомов натрия выходила из системы, снизив общую температуру оставшихся молекул до 2.2 микрокельвина. Таким образом, термализация молекул и атомов привела к последующему охлаждению молекул.

Ученые говорят о том, что данное испытание возможно перенести и на системы из других легких молекул, в результате чего будет выделен охлаждённый конденсат, подобный тому, что был получен в 2018 году с фотонами.