Физики научились управлять переохлажденными молекулярными газами

Распределение скоростей атомов при лазерном охлаждении. Слева - обычный атомарный газ, справа - бозе-эйнштейновский конденсат.

William Phillips Nobel Lecture, 1997

Физики из США и Сингапура впервые научились управлять квантовым состоянием молекулярного газа. Ученым не просто удалось охладить порядка двух тысяч молекул 23Na40K до сверхнизких температур, но контролируемо перевести эти частицы из основного квантового состояния в заданное. Работа опубликована в журнале Physical Review Letters, ее краткое описание можно прочесть на Physics.

Возможность управления квантовым состоянием отдельных атомов, молекул и состоящих из них газов может найти применение как в фундаментальной науке, так и в прикладной: от моделировании явления сверхпроводимости и сверхтекучести до создания на основе таких систем квантовых компьютеров. В настоящее время охлаждение и различные операции с атомарными бозе- и даже ферми-газами — рутинный процесс для большинства лабораторий, специализированных на этой тематике. При этом аналогичные действия с молекулярными газами стали проводить совсем недавно.

Причина, по которой работа с молекулярными газами более затруднительна, заключается в их сложной уровневой структуре. Для электронов в атомах есть определенный набор уровней с известными энергиями переходов между ними. В молекулах существуют также колебательные и вращательные степени свободы, большую роль имеют сверхтонкое и зеемановское расщепление, что приводит к сильному усложнению уровневой структуры по сравнению с атомарной.

Поэтому, чтобы зафиксировать молекулу в каком-то конкретном квантовом состоянии, необходимо досконально изучить ее энергетический спектр в каждом отдельном случае. Кроме того, точность аппаратуры должна быть достаточной для контроля переходов между состояниями с очень близкой энергией, которые возникают в молекулах в результате вышеописанных эффектов. Ранее ученым уже удавалось получать молекулярные газы, состоящие из калия, рубидия или натрия — KRb или NaK — в основном квантовом состоянии (с минимальной внутренней энергией).

В новой работе авторы смогли не только охладить газ из молекул 23Na40K, но и направленно перевести из основного состояния в заданное. Для этого ученые вначале провели подробный теоретический анализ уровневой структуры изучаемой молекулы. Затем, охладив натрий-калиевый молекулярный газ до температур порядка 300 нанокельвин, получили экспериментальный спектр. Сопоставив его с теоретическим расчетом, авторы смогли выяснить, каким образом можно контролируемо управлять переходом системы в одно из заданных состояний с более высокой энергией.

В качестве такого состояния ученые выбрали вращательный уровень J=1. Используя микроволновый лазер определенной частоты, они перевели молекулярный газ из основного состояния с J=0 в J=1. Из-за сверхтонкого расщепления, вызванного взаимодействием магнитного поля электронов и ядер, уровень J=1 расщеплен на три подуровня, немного отличающихся по энергии. Чтобы перевести молекулы в конкретное квантовое состояние, соответствующее одному из подуровней, авторы использовали излучение не только определенной энергии, но и поляризации. Это позволило исключить возможность перехода системы на близкие по энергии подуровни.

В результате, ученым удалось направленно перевести квантовую систему, состоящую из молекул в основной состоянии, в заданное. Время жизни системы в этом состоянии оказалось достаточно большим — порядка 3 секунд. Авторы считают, что возможность контроля долгоживущих состояний квантовых систем, состоящих из сильно взаимодействующих молекулярных конденсатов, является одним из важнейших шагов для создания квантовых вычислительных систем.


Екатерина Митрофанова

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.