Физики охладили облако молекул до рекордно низкой температуры с помощью «темных» состояний

Американские физики охладили облако молекул фторида кальция, помещенных в оптическую ловушку, до температуры около 20 микрокельвин, и довели плотность облака почти до миллиарда молекул в кубическом сантиметре. Для этого ученые использовали метод усиленного лазерного охлаждения, связанный с «темными» состояниями молекул. Полученные значения температуры и плотности значительно превышают предыдущие рекорды (60 микрокельвин и 10 миллионов молекул на кубический сантиметр) и позволяют использовать молекулярные облака для моделирования более сложных физических систем. Статья опубликована в Physical Review Letters, кратко о ней сообщает Physics, препринт работы выложен на сайте arXiv.org.

Облако атомов, охлажденное до сверхнизкой температуры и помещенное в оптическую ловушку — очень удобный объект, позволяющий изучать поведение более сложных физических систем. В частности, с помощью подобных облаков можно смоделировать расширение Вселенной и черные дыры, построить универсальный квантовый компьютер. Как правило, для получения таких облаков ученые прибегают к лазерному охлаждению — направляют на атомы лазер, частота которого немного не дотягивает до частоты резонансного перехода, и заставляют атомы поглощать и переизлучать фотоны, теряя в ходе процесса кинетическую энергию. С помощью подобной техники физикам удается охладить атомы до температуры порядка нескольких сотен микрокельвин, а еще более хитрые методы позволяют понизить температуру еще на два порядка. Более подробно об охлаждении облаков до сверхнизких температур можно прочитать в новости «Лазерное охлаждение помогло получить бозе-конденсат взаимодействующих фотонов» или послушать в рассказе физика Владимира Мележика.

К сожалению, с облаками молекул лазерное охлаждение работает гораздо хуже, чем с атомами. В отличие от атомов, молекулы имеют внутренние степени свободы — они могут вращаться, растягиваться и сжиматься. Когда отдельный атом переизлучает поглощенные фотоны, он неизбежно возвращается в основное состояние, а разница энергий фотонов равна изменению его кинетической энергии. Однако в молекуле энергия фотонов может поглотиться вращательными и колебательными степенями свободы — в результате молекула перестает взаимодействовать с фотонами лазера, и дальнейшее охлаждение становится невозможным. Тем не менее, ожидается, что молекулярные облака будут так же удобны для моделирования сложных физических систем, как и облака атомов. Поэтому для физиков важно научиться охлаждать такие облака до сверхнизких температур, а также получать четкие изображения облаков, чтобы исследовать их внутреннюю структуру.

Группа исследователей под руководством Лоуренса Чейка (Lawrence Cheuk) придумала способ, который позволяет частично обойти проблемы лазерного охлаждения, и охладила облако связанных молекул фторида кальция CaF до рекордно низкой температуры около 20 микрокельвинов. Кроме того, физикам удалось повысить плотность облака до 6×10⁸ молекул в кубическом сантиметре, что более чем в десять раз превышает предыдущее рекордное значение. Для этого ученые использовали технику, которая напоминает метод VSCPT (Velocity-Selective Coherent Population Trapping), использующийся для усиленного охлаждения атомов щелочных металлов. Качественно суть этого метода можно объяснить на следующем упрощенном примере. Предположим, что частицы системы имеют два основных состояния (основным состоянием в физике называют состояние с наименьшей энергией) и одно возбужденное, и направим на них два лазера, которые распространяются в противоположных направлениях. В этом случае состояния покоящихся частиц разделяются на «светлое», которое может взаимодействовать с фотонами лазеров, и «темное», которое остается для них невидимым. Если частицы движутся с некоторой скоростью, из-за доплеровского сдвига состояния смешиваются, и частицы могут переходить между ними. Тем не менее, после многократного рассеяния фотонов скорость частиц уменьшается, и они накапливаются в состояниях со скоростью, близкой к нулю. А благодаря тому, что часть таких состояний являются «темными», частицы застревают в них и не могут разогреться из-за поглощения новых фотонов. К сожалению, получить «темные состояния» для молекул гораздо сложнее, чем для атомов, — например, число основных состояний молекулы больше двух, а величина расщепления возбужденных уровней сравнительно невелика. До сих пор ученым не удавалось это сделать.

На этот раз физики смогли согласовать параметры лазера с параметрами молекул, которые участвовали в охлаждении, и реализовали на практике метод с «темными» состояниями. Это позволило им охладить свободные молекулы фторида кальция до температуры порядка пяти микрокельвинов, что почти в десять раз меньше, чем наилучший результат с использованием аналогичной техники без «темных» состояний. Плотность частиц при этом составила примерно 10⁷ молекул в кубическом сантиметре, что в двадцать раз больше предыдущего рекорда.

Затем исследователи использовали тот же подход для охлаждения молекул, пойманных в оптическую ловушку, — как правило, работать с такими системами сложнее, чем со свободными, поскольку удерживающие лазеры мешают охлаждать частицы. В этом случае физикам удалось достигнуть температуры около 20 микрокельвинов и плотности порядка 6×10⁸ молекул в кубическом сантиметре. Оба значения в несколько раз превышают предыдущие рекорды. Авторы отмечают, что эти значения уже позволяют использовать облако молекул для обработки информации и моделирования более сложных систем.

Кроме того, в ходе охлаждения каждая из молекул рассеяла примерно 2700 фотонов с 10 процентами потерь. Это позволило ученым построить изображение молекулярного облака и исследовать его внутреннюю структуру, не разрушая состояние. Ученые надеются, что в будущем это позволит разработать метод высокоточного определения положения молекул.

В июне 2016 года физики из США и Сингапура научились управлять квантовым состоянием молекулярного газа — им впервые удалось не только охладить облако молекул ²³Na⁴⁰K до температуры около 0,3 микрокельвина, но и контролируемо перевести эти частицы из основного квантового состояния в заданное. В январе 2017 нидерландские исследователи впервые изготовили молекулярный фонтан — охладили молекулы аммиака до температуры порядка одного милликельвина и запустили их вверх, чтобы проследить за движением в условиях свободного падения. А в апреле 2018 американские ученые провели химическую реакцию между отдельными атомами натрия и цезия, помещенными в оптические ловушки, которые обычно используются для охлаждения атомных облаков.

Дмитрий Трунин