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