Ионы в ловушках отказались охлаждаться

Физики из Университета Калифорнии показали, что ионы, захваченные в электромагнитные ловушки, могут оставаться «горячими» даже внутри облака из ультрахолодных атомов, словно бы нарушая принципы термодинамики. По расчетам авторов, попытка охладить несколько десятков ионов бария с помощью облака гелия-3, охлажденного до 0,17 кельвина, приведет к устойчивой температуре ионов в 10 кельвинов. Исследование опубликовано в журнале Nature Communications (препринт), кратко о нем сообщает пресс-релиз университета.

Одним из следствий второго начала термодинамики можно назвать стремление замкнутых систем к равновесию — выравниванию температуры, давления и других параметров. Благодаря этому горячий кофе с шариком мороженого, помещенные в идеально изолированный объем, со временем сравняют свои температуры. Точно такого же поведения можно ожидать и от других систем — например, от смеси холодного и горячего газа.

На основе этой идеи физики разработали метод охлаждения отдельных ионов до криогенных температур — вблизи абсолютного нуля. Для этого заряженные частицы, захваченные специальными ионными ловушками, помещают в облако из охлажденных нейтральных атомов. Этот метод широко применяется для увеличения точности масс-спектрометров и исследования химических реакций; предполагается, что с его помощью можно будет обеспечить работу ионных кубитов в квантовых компьютерах.

В 1968 году, спустя десять лет после экспериментального воплощения методики, физики обнаружили что пойманные в ловушку ионы не достигают теплового равновесия с окружающим газом. Как поясняют авторы новой работы, это неудивительно, поскольку системы с ионной ловушкой не являются закрытыми. «Нарушителями» оказываются изменяющиеся электромагнитные поля, периодически добавляющие и забирающие энергию у системы. Тем не менее, до сих пор особенности охлаждения нейтральными атомами были плохо изучены и многие детали оставались неизвестными.

Чтобы исследовать неравновесное поведение, физики поставили ряд экспериментов по охлаждению захваченных в оптические ловушки ионов бария. Для этого авторы помещали различные количества ионов (от одного до десяти) в облако атомов кальция с температурой четыре милликельвина. Затем, после нескольких секунд взаимодействия, кальций удаляли и измеряли температуру ионов. Ученые обнаружили, что в зависимости от исходной температуры ионов («холодной» или «горячей») существовало два устойчивых состояния, в которых оказывались атомы. Одно из них существенно превышало температуру охлаждающего газа.

Физики предложили теоретическое объяснение для двух этих состояний. По словам авторов, они отвечают таким температурам, при которых скорость нагрева и охлаждения ионов оказывались равными. Охлаждение частиц связано в первую очередь со столкновениями с окружающим газом, нагрев — с кулоновским отталкиванием между соседними захваченными ионами. Обе этих зависимости имеют сложный вид, и при попытке решить соответствующее «уравнение с параметром» обнаруживаются три возможных температурных режима.

В случае малого количества ионов (например, один-два) скорости нагрева и охлаждения сравниваются при низких температурах. Если заряженных частиц много (больше 10-20), то нагрев оказывается очень интенсивным и устойчивая температура оказывается гораздо выше, чем температура окружающего газа. В промежуточных случаях возникают два устойчивых решения.

На основании экспериментов и теоретических моделей физики оценили, до каких температур могут охлаждать бариевые ионы те или иные атомы. Оказалось, что случайно выбранный газ-охладитель, даже несмотря на очень низкую собственную температуру, может оказаться неэффективным в охлаждении. Так, гелий-4 с температурой четыре кельвина оказывается близок по своим свойствам в роли охладителя изотопу гелия-3, охлажденному до 0,17 кельвина.

Для охлаждения атомов до криогенных температур применяются и другие техники. Одна из них — доплеровское лазерное охлаждение. Она основана на том, что для перехода в возбужденное состояние частицы должны поглотить фотон со строго определенной энергией. Ученые облучают атомы лазером, энергия фотонов которого немного меньше необходимой. В некоторых случаях  атомы могут скомпенсировать небольшую нехватку энергии за счет снижения своей скорости — это и приводит к охлаждению частиц. Таким образом можно добиться температуры всего в 500 микрокельвинов.

Холодные атомы и ионы — удобная система для моделирования различных взаимодействий. Так, недавно израильский физик с помощью холодных атомов рубидия создал «глухую дыру» — аналог черной дыры.  Другой группе физиков удалось пронаблюдать на 480 холодных атомах нарушения локального реализма — огромная система вела себя как квантовый объект.

Владимир Королёв

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.
Научное издательство Microbiology Society приостановило публикацию статей из России

Британское Микробиологическое общество (Microbiology Society), которое выпускает пять научных журналов, объявило, что останавливает работу со статьями, при подготовке которых использовалось российское бюджетное финансирование или с участием авторов, аффилированных с организациями, публично поддержавшими боевые действия на территории Украины. Эта пауза продлится до момента, когда украинские микробиологи смогут безопасно продолжить работу, говорится в заявлении совета общества.