Ученым удалось охладить молекулы до рекордно низкой температуры - «Наука и технологии»

Ученые-физики уже не раз ставили всевозможные эксперименты, в ходе которых отдельные атомы или ионы различных химических элементов охлаждались до сверхнизких температур при помощи, к примеру, света луча лазера. Но охлаждение целых молекул, которые состоят из двух или большего количества атомов, является делом еще более сложным, требующим, как правило, методов, совершенно отличных от методов, используемых для охлаждения отдельных атомов. И значимого успеха в этом деле удалось добиться физикам из Массачусетского технологического института, которые охладили молекулы газа до температуры, чуть превышающей температуру абсолютного нуля, температуры, более холодной, чем температура послесвечения от Большого Взрыва.

При нормальной температуре окружающей среды атомы и молекулы движутся на достаточно высоких скоростях, постоянно сталкиваясь друг с другом и атомами, из которых состоят все окружающие нас предметы. Однако, самые странные вещи начинают происходить, когда молекулы и атомы охлаждаются до таких температур, когда они практически перестают двигаться, они объединяются в нечто под названием конденсата Бозе-Эйнштейна, который ведет себя как единый объект больших размеров. А при снижении температуры еще ниже вещество может начать переходить в такие экзотические состояния, которые ученым не доводилось наблюдать прежде.

Для исследования экзотических состояний вещества ученые из Массачусетса, возглавляемые физиком Мартином Цвирлеином (Martin Zwierlein), охладили при помощи лазера молекулы газа, состоящие из двух атомов, натрия и калия. Эти молекулы были охлаждены до температуры в 500 нанокельвинов, 500 миллиардных долей градуса выше температуры абсолютного нуля (-273.15 градусов по шкале Цельсия). Это почти в миллион раз холоднее, чем температура межзвездного космического пространства, определяемого температурой (длиной волны) излучения послесвечения от Большого Взрыва. А плотность охлаждаемого газа была столь мала, что в большинстве случаев все это можно было считать почти абсолютным вакуумом.

Собранные в ходе эксперимента данные показали, что охлажденные молекулы были стабильны и имели тенденцию не реагировать с другими молекулами, находящимися неподалеку. Молекулы имели ярко выраженные дипольные магнитные моменты, демонстрирующие особенности распределения электрических зарядов в молекуле, что определяет притягивающие или отталкивающие их свойства по отношению к другим молекулам.

Но самым интересным является то, что калий и натрий в обычных условиях не формируют молекул, их ионы имеют положительный электрохимический потенциал и они обычно отталкиваются друг от друга. Зато ионы этих металлов притягиваются к ионам с сильным отрицательным химическим потенциалом, к примеру, к ионам хлора, в результате чего образуется хлорид калия (KCl) или хлорид натрия (NaCl), одно из самых распространенных соединений на земном шаре, известное как поваренная соль.

Однако, ученые заставили атомы калия и натрия соединиться в молекулу, использовав несколько уловок. Отдельные атомы двух металлов были отправлены в объем вакуумной камеры за счет их испарения. А затем, при помощи света лазера облака отдельных атомов были охлаждены до сверхнизкой температуры. После этого, при помощи воздействия сильного магнитного поля, ученые заставили склеиться атомы двух металлов, которые сформировали молекулы калия-натрия.

И в самом конце молекулы, удерживаемые магнитным полем, были охлаждены при помощи нескольких лазеров, настроенных на разные частоты. Частота первого лазера соответствовала резонансной частоте молекулы, находящейся на высоком энергетическом уровне. Частота второго - резонансной частоте молекулы на самом низком ее энергетическом уровне. В результате такого воздействия молекула поглощала низкоэнергетический фотон второго лазера и излучала его на более высокоэнергетической частоте первого лазера, переходя в низкоэнергетическое состояние, теряя кинетическую энергию, замедляясь и охлаждаясь до сверхнизкой температуры.

Молекула калия-натрия не является стабильной как молекулы обычных химических веществ. Время ее существования составляло в среднем 2.5 секунды, но для ученых физиков, изучающих явления, протекающие на уровне атомов и молекул, такое время является чуть ли не вечностью.

Следует отметить, что данный эксперимент является первым шагом к охлаждению молекул до еще более низкой температуры, при которой можно будет наблюдать квантово-механические эффекты, известные пока лишь теоретически. Подобные эффекты были изучены на отдельных атомах гелия и других элементов, но пока их никому не удавалось наблюдать на молекулах, которые более сложны, чем атомы, которые демонстрируют более сложные движения, колебания и вращение. К примеру, гелий, охлажденный до сверхнизких температур, превращается в сверхтекучую жидкость, так называемую супержидкость, которая из-за некоторых явлений квантовой механики имеет нулевое значение вязкости. Теоретически и молекулы могут образовывать свою супержидкость и ученые будут пытаться добиться такого эффекта.