Физики научились управлять переохлажденными молекулярными газами

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.