Физики сделали первый молекулярный фонтан

Строение молекулярного фонтана. Бирюзовый — траектории молекул аммиака. Пучок молекул анализируется дважды: на подъеме и на падении, для этого часть молекул аммиака ионизируют ультрафиолетовым излучением и с помощью ионных линз направляют на детектор справа.

Cunfeng Cheng et al. / PRL, 2017

Физики из Свободного университета Амстердама впервые создали молекулярный фонтан — устройство, охлаждающее и запускающее молекулы вверх, чтобы проследить за их движением в условиях свободного падения. Аналогичные фонтаны для атомов были известны достаточно давно и используются в сверхточных атомных часах. Ключевым для разработки стало использование нового метода охлаждения молекул до температур, близких к абсолютному нулю. Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters, кратко о нем сообщает Physics.

Первые атомные фонтаны были разработаны в 1989 году. Они используются для того, чтобы создавать свободно падающие пучки атомов с узким разбросом скоростей. Этого можно достигнуть, если использовать изначально очень холодные атомы с малыми собственными скоростями. Время свободного падения атомов в таких устройствах делает возможными очень точные исследования.

Благодаря интерферометрическим измерениям на атомных фонтанах была уточнена гравитационная постоянная, исследовалась квантовая суперпозиция на больших расстояниях, сейчас для них предложены эксперименты по проверки эффектов общей теории относительности. Однако некоторые явления проявляются на молекулах гораздо четче. Например, это относится к расщеплению из-за дипольного момента электрона — предсказанной, но все еще не измеренной экспериментально величине. Она показывает, что свойства электрона несколько отличаются от свойств точечного заряда, это следствие нарушений CP-симметрии в Стандартной модели. 

Заменить атомы в атомном фонтане на молекулы напрямую нельзя: лазерные техники не позволяют также эффективно охлаждать (и замедлять) крупные частицы. Этому мешает, в частности, сложная электронная структура молекул. 

Авторы новой работы предложили новое устройство для охлаждения молекул до тысячных долей кельвина и на его основе разработали фонтан, «стреляющий» молекулами аммиака. Охлаждение в нем основано на эффекте Штарка: в электрическом поле происходит расщепление уровней и для части молекул оказывается выгодным находиться в более сильном поле, а для другой части выгоднее находиться в слабом поле. Всего в приборе две ступени охлаждения: замедление и адиабатическое расширение. 

На первом этапе молекулярный пучок направляют в канал, в котором находятся несколько десятков диполей, способных резко менять электрическое поле. Сближение молекулы с очередным диполем выглядит как спуск с горы для первого типа частиц (любящих сильные поля) и как подъем в гору для второго типа частиц. Этот подъем снижает кинетическую энергию молекул второго типа и они замедляются. После прохождения диполя он переключается, чтобы не ускорять уже замедленные молекулы обратно. Этот процесс повторяется многократно (100 раз в установке авторов), однако для надежного охлаждения его недостаточно — с падением скорости молекул он становится менее эффективным. 

Второй этап охлаждения требовал более плавного изменения напряженности электрического тока. Его суть сводилась к расширению потенциальной ямы ловушки, в которую попадали молекулы. Это создавало эффект, аналогичный охлаждению газа при увеличении объема. Потенциал регулировался с помощью 336 колец, менявших напряженность поля по синусоиде.

Затем охлажденные до 0,001 кельвина молекулы аммиака выстреливались вертикально вверх со скоростью порядка 5-7 километров в час. Это позволяло наблюдать их на протяжение сотен миллисекунд. В существующих молекулярных пучках это время составляет единицы миллисекунд. По словам авторов, это должно дать аналогичный прирост в точности измерений. 

Единственный недостаток установки — небольшая частота детектирования свободно падающих молекул. На пять запусков фиксируется лишь одна молекула. Улучшив этот показатель авторы добьются меньшей статистической ошибки в эксперименте. Среди применений установки высокоточные спектроскопические исследования аммиака, а также различных хиральных молекул. Последние представляют собой зеркальные отражения друг друга, расхождения в их спектральных свойствах могут указывать на какие-либо важные нарушения фундаментальных симметрий. 

Атомные фонтаны уже нашли применение в сверхточных измерениях времени — на их основе работают самые точные цезиевые часы. Напомним, что современный эталон секунды определяется как 9 192 631 770 периодов излучения (электронных переходов) в атоме цезия. В первых прототипах атомных часов скорость потока атомов (около ста метров в секунду) было очень сложно контролировать. При этом атомы должны были своевременно взаимодействовать с возбуждающим излучением. Цезиевые фонтаны позволили одновременно уменьшить скорость атомов вплоть до сантиметров в секунду и упростить схему генератора частоты. 

Первые атомные часы на цезиевом фонтане увеличили точность измерения времени на порядок, и до сих пор считаются наиболее точными носителями частоты цезиевых часов. Сейчас в мире есть около дюжины часов-атомных фонтанов, способных измерять время с точностью от одной квадриллионной доли секунды и до десятков квинтиллионных долей. О применении молекулярных фонтанов из аммиака для измерения времени авторы не говорят, но интересно заметить, что первые прототипы атомных часов работали именно на аммиаке.

Схожим принципом работы обладают атомные интерферометры. В отличие от фонтанов, атомы в них формируют бозе-эйнштейновский конденсат, который свободно падает по вертикали. С помощью лазерных импульсов конденсат делят на две группы частиц, по-разному взаимодействующих с окружающими полями. Поскольку система ведет себя как квантовый объект, в точке измерения происходит интерференция между группами частиц, позволяющая очень точно измерить задержку между группами. На таком принципе основаны атомные гравиметры — приборы для измерения гравитации. В прошлом году международная группа физиков впервые сделала такой прибор портативным.

Королёв Владимир

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.