Прохладные истории журнал расскажет наш
Чему посвящены 4 свежих работы про физику ультрахолодных молекул
Изучение экстремальных физических условий почти всегда приводило ученых к новой физике. Например, сверхпроводимость при комнатной температуре существует, но пока только под давлением более миллиона атмосфер. Изобретение в конце XX века технологий охлаждения вещества до сверхнизких температур (микрокельвины и ниже) не стало исключением — изучение эффектов, возникающих в подобных условиях, уже давно выделилось в отдельную физическую область. Наиболее интересные результаты сегодня дают эксперименты с ультрахолодными атомными газами, плененными в различного рода ловушки.
При существенном понижении температуры физические свойства газа начинают зависеть от квантовой статистики, а именно от суммы спинов всех составляющих атом частиц: электронов, протонов и нейтронов. Разница между изотопами всего в один нейтрон приводит к принципиально разным эффектам при температуре, близкой к абсолютному нулю — ситуация, немыслимая в обычной химии. Так, охлажденные атомы лития-7 формируют конденсат Бозе — Эйнтшейна, в то время как изотоп литий-6 упаковывается в вырожденный ферми-газ. Эти экзотические агрегатные состояния, впервые полученные в конце прошлого столетия, обладают буквально противоположными свойствами.
Их можно использовать, чтобы разобраться, какие процессы происходят в твердотельных или астрофизических системах. Другими словами, вырожденные квантовые газы стали прекрасным инструментом для квантовых симуляций.
Как показала история, это было лишь начало. Низкие температуры замедляют атомы, что позволяет физикам получить над их движением практически полный контроль. Это, в свою очередь, открыло дорогу к сборке полярных и неполярных ультрахолодных молекул.
Также в какой-то момент выяснилось, что с ультрахолодными молекулами происходят еще более интересные вещи, чем с атомами. Это связано с тем, что их энергетическая структура гораздо богаче: в ней присутствуют колебательные и вращательные степени свободы, а значит и коллективные эффекты с их участием могут быть разнообразнее. Особенно интересны полярные молекулы благодаря большому дипольному моменту: межмолекулярное взаимодействие при этом сильнее, чем межатомное, а кроме того, крайне анизотропно (хотя анизотропное магнитное дипольное взаимодействие между атомами также встречается).
В общем, последние десять лет интерес к ультрахолодным молекулам не ослабевает. Ученые осваивают управление неупругими соударениями с их участием, чтобы продлить им жизнь или, наоборот, сделать взаимодействие интенсивнее. Кроме того, множится число работ, в которых молекулы выполняют различные квантовые симуляции. Поэтому не так неудивительно, что в прошлом выпуске флагманского журнала Nature этой теме было посвящено сразу четыре работы.
1.
Работы групп Вольфганга Кеттерле (Wolfgang Ketterle) из Массачусетского технологического института и Синя Юй Ло (Xin-Yu Luo) из Института квантовой оптики Общества Макса Планка посвящены исследованиям резонансного взаимодействия ультрахолодных молекул друг с другом.
В массачусетском Кембридже экспериментально доказали, что ультрахолодные димеры могут собираться в комплексы через магнитный резонанс Фешбаха. Так называют связанное состояние двух частиц, вызванное особой формой поверхности их потенциальной энергии. Если на близком расстоянии частицы отталкиваются, а на дальнем — притягиваются, то на промежуточных дистанциях образуется потенциальная яма, в которой при некоторых условиях может возникнуть стабильный энергетический уровень. В ряде случаев этими условиями можно управлять при помощи слабого магнитного поля. Такая магнитоассоциация — распространенный метод синтеза молекул в холодных атомных газах, однако вопрос о применимости резонанса Фешбаха к формированию молекулярных комплексов долгое время оставался открытым.
Физики из группы Кеттерле готовили 60 тысяч молекул 23Na6Li в одномерной оптической ловушке при температуре 1,8 микрокельвина и изучали их потери в зависимости от индукции приложенного магнитного поля. Авторы обнаружили узкий (25 миллигаусс) резонанс при 334,92 гаусса: в таких условиях молекулы разваливались на куски за 50 миллисекунд, хотя в норме время их жизни превышает секунду. Это свидетельствует о возникновении комплекса из двух слипшихся молекул, который впоследствии разрушается до атомов.
2.
Магнитный резонанс Фешбаха — это ценный инструмент для манипуляций холодными частицами, однако он не подходит для атомов и молекул без ярко выраженных магнитных свойств. В Мюнхене для таких частиц предложили альтернативное решение. Группа Ло изучала взаимодействие молекул через резонанс, связанный с полем (field-linked resonance) — так называется связь, которая возникает, когда молекулы «одеваются» микроволновым полем. В отсутствие какого-либо воздействия основные и возбужденные молекулярные состояния не создают заметного притяжения для формирования комплекса (в простейшем случае тетрамера). Но под воздействием фотонов они «одеваются» так, что связь становится возможна даже для самых низких молекулярных уровней. Важно, что свойствами этой связи можно управлять, настраивая параметры поля: частоту, интенсивность и поляризацию.
Чтобы показать это, физики измеряли коэффициент неупругих столкновений молекул 23Na40K в присутствии микроволнового поля. Молекулы удерживали в оптической ловушке при температуре 230 нанокельвин. После воздействия полем в течение некоторого времени, они отключали ловушку и измеряли количество молекул и их температуру времяпролетным методом. Об образовании тетрамеров свидетельствовали пики на графике зависимости коэффициента неупругих столкновений от частоты микроволнового поля при различных его поляризациях.
3.
Результаты группы Ло опираются на полярность молекулярных димеров, то есть наличие у них заметного дипольного момента. Дипольное взаимодействие существенно сильнее ван-дер-ваальсовского, а потому весьма ценно для задач квантовых симуляций. Этим ресурсом воспользовалась группа физиков из Принстонского университета под руководством Васима Бакра (Waseem Bakr).
В своей работе ученые распределяли холодные димеры 23Na87Rb по ячейкам двумерной оптической решетки. Они работали с основным и возбужденным вращательными состояниями, будто это две возможные проекции спина 1/2. Авторы возбуждали молекулярный ансамбль и следили за его эволюцией, фотографируя флуоресценцию атомов рубидия с помощью микроскопии квантовых газов.
Такая постановка эксперимента позволила группе Бакра построить двумерную векторную спиновую модель (квантовую XY-модель) и проследить за ее динамикой. Принстонских ученых интересовала эволюция квантовых корреляций, возникающих в неравновесной спиновой системе, в процессе ее термализации, то есть стремления к равновесию — причем как для изотропных, так и для анизотропных взаимодействий.
Результаты измерений оказались близки к теоретическому предсказанию. В будущем такой подход позволит изучать сверхтекучесть, моттовскую изоляцию и динамику переноса. Кроме того, разработанная платформа может быть полезна и для квантовых вычислений.
4.
Похожим образом поступили физики из Национального института стандартов и технологий и Университета Колорадо в Боулдере под руководством Ли Чжун-Ру (Jun-Ru Li) и Е Чжун (Jun Ye). Они также кодировали спиновые проекции во вращательных состояниях молекул (в данном случае 40K87Rb) — но в отличие от коллег из Принстона, позволяли тем свободно перемещаться по двумерной оптической ловушке. Группу Ли и Е интересовало, как спиновая динамика зависит от приложенного электрического поля.
Важным результатом работы авторов из Боулдера стали наблюдения за динамикой спиновой когерентности при таких условиях. На коротких временах эволюции главную роль в ней играют дипольные взаимодействия. Они реализуют спиновый гамильтониан, который генерирует сильно запутанные состояния. В дальнейшем в игру вступает тепловое движение молекул и их соударения, что приводит к необратимой декогеренции.
Авторы также выявили роль дипольных взаимодействий в связывании спиновых и поступательных степеней свободы. Они надеются, что их платформа позволит лучше исследовать такие коллективные эффекты, как нетрадиционная парная сверхтекучесть или спиновые волны.
Исследования ультрахолодных молекул не ограничиваются одним лишь контролем неупругих взаимодействий и квантовыми симуляциями с помощью димеров. Недавно мы рассказывали, как китайским физикам удалось существенно продвинуться в синтезе ультрахолодных тримеров.
В этом физикам помогло слабое магнитное поле
Китайские физики продемонстрировали синтез ультрахолодных трехатомных молекул в смеси вырожденных атомных газов. Им удалось добиться фазовой плотности, существенно превышающей предыдущие попытки. Исследование опубликовано в Science. Законы превращения одного вещества в другое, которые изучает химия, обычно основаны на экспериментах с достаточно большими объемами, где количество атомов или молекул огромное. По этой причине измеряемые в опыте величины носят статистический характер, и на помощь ученым приходит термодинамический подход. Конечно, вооружившись квантовой механикой, химики могут теоретически изучать элементарные акты химического взаимодействия, сопоставляя результат с эмпирическими данными. Однако их экспериментальное изучение требует методов беспрецедентного контроля, измерения и, в первую очередь, охлаждения отдельных атомов и атомных групп, которые появились сравнительно недавно и привели к рождению ультрахолодной химии. Простейшими химическими реакциями, с которых начали ученые, стали образование и распад двухатомных молекул или димеров. Оказалось, что ультрахолодные молекулы — это еще и хороший объект для хранения квантовой информации, а многообразие энергетических уровней и взаимодействий обещают выполнение на них разнообразных квантовых симуляций. Куда большое богатство разнообразной физики несут в себе молекулы с большим, чем два, числом атомов, но даже синтез трехатомных холодных молекул оказался сложной задачей. Здесь, как и на предыдущем этапе существует два подхода. Первый — это сначала синтезировать трехатомные молекулы, а затем охлаждать их доступными методами (именно так недавно получили ультрахолодные молекулы CaOH). Второй способ основан на синтезе в смеси двух, уже охлажденных одноатомных газов. Преимущество ультрахолодной ассоциации состоит в том, что молекулы могут наследовать низкие температуры и высокую плотность атомарных газов, и, таким образом, молекулярные газы могут иметь высокую плотность фазового пространства. Несмотря на это, пока мало кому удавалось эффективно провести такие реакции. Существенный шаг в этом направлении сделала группа физиков из Научно-технического университета Китая под руководством Бо Чжао (Bo Zhao) и Цзянь Вэй Пань (Jian-Wei Pan). Ученые использовали метод магнитоассоциации, то есть синтеза в присутствии магнитного поля, в ультрахолодной смеси атомов 40K и молекул 23Na40K, пойманных в оптическую дипольную ловушку. Им удалось добиться высокой фазовой плотности тримеров, существенно превышающей предыдущие результаты. За связь между атомами, формирующими ультрахолодные молекулы, может быть ответственен резонанс Фешбаха. Так называют ситуацию, возникающую, когда поверхность потенциальной энергии взаимодействующих частиц имеет ярко выраженный минимум. В этом случае, согласно квантовой механике, может образоваться связанное состояние. Поскольку энергии атомов смещаются в магнитном поле, свойствами резонанса можно управлять. Прежде, чем применить магнитоассоциацию к образованию тримеров, физики подготовили смесь бозе-конденсата атомов натрия-23 и вырожденного ферми-газа атомов калия-40 при температуре порядка ста нанокельвин. Сначала они синтезировали димеры с помощью вынужденного рамановского перехода (техника STIRAP) с последующей ассоциацией при 77,6 гаусса, получив на выходе вырожденный молекулярный ферми-газ. После удаления непрореагировавших атомов натрия, авторы перевели молекулы и оставшиеся атомы калия в максимально поляризованные состояния, для которых существует широкий резонанс Фешбаха при 48 гауссах. Чтобы воспользоваться им, физики монотонно уменьшали магнитное поле от 55 до 45 гаусс в течение 10 миллисекунд и измеряли количество оставшихся димеров в смеси. По мере приближения к 48 гауссам число молекул NaK существенно уменьшалось, в том числе и за счет образования тримеров NaK2. Для характеризации энергетической глубины резонанса (по сути, энергии связи) ученые облучали смесь радиочастотным импульсом с энергией, чуть превышающей первый сверхтонкий резонанс в атоме калия. Разница частоты получившегося пика и известной атомной частоты была в точности равна энергии связи. Более этого, этот же метод позволил доказать, что исчезновение димеров связано с образованием тримеров: после применения импульса некоторое количество молекул NaK восстанавливалось, причем только при частоте радиоимпульса, превышающей порог диссоциации. Оценки показали, что число тримеров в эксперименте достигало четырех тысяч, а их пиковая плотность была равна 3 × 1011 обратных кубических сантиметров. Это соответствует пику плотности в фазовом пространстве, равному примерно 0,05, что на десять порядков больше, чем в предыдущих опытах. Авторы оценили время жизни тримеров в несколько долей миллисекунды. Для его увеличения в будущем, вероятно, понадобится использовать методы экранировки молекул от неупругих соударений. Мы уже писали, как этого добиваются для димеров с помощью электрических полей и микроволнового излучения.
