Столкновения холодных молекул впервые изучили в сверхпроводящей магнитной ловушке

Физики из Израиля построили первую экспериментальную установку, которая изучает столкновения холодных частиц без участия лазеров. Для этого ученые тормозили быстрый пучок частиц с помощью обычных магнитных катушек, а затем резко останавливали и удерживали с помощью магнита из высокотемпературного сверхпроводника. В результате исследователям удалось в течение почти полутора минут продержать пучок из миллиарда молекул кислорода, охлажденных до одного кельвина. Статья опубликована в Nature, препринт работы выложен на сайте arXiv.org.

Большинство современных знаний о химических реакциях было получено с помощью прибора со скрещенными молекулярными пучками (crossed-molecular-beam apparatus) — прибора, который сталкивает два пучка заданных частиц и следит за продуктами произошедшей химической реакции. Первый прототип такого прибора разработали еще в 1953 году американские химики Эллисон Тейлор (Ellison Taylor) и Шелдон Датц (Sheldon Datz), а довели его до ума в 1966 году Дадли Хершбах (Dudley Herschbach) и Юань Ли (Yuan Lee). Измерения с помощью прибора со скрещенными пучками позволили не только проследить, какие молекулы образуются в химических реакциях, но также измерить их внутреннюю энергию и проверить предсказания физической химии и квантовой механики. Именно поэтому за его изобретение в 1986 году была присуждена Нобелевская премия по химии.

К сожалению, этот метод наблюдений становится бесполезным, когда температура химической реакции падает. Чем холоднее газ, тем медленнее движутся его молекулы и тем больше времени нужно, чтобы они столкнулись друг с другом. В то же время, такие реакции часто встречаются в природе — например, во время синтеза органических молекул в межзвездной среде — и необходимы для фундаментальных исследований квантовой материи. Следовательно, эксперимент с пучками нужно дополнить ловушкой, которая будет достаточно долго удерживать молекулы.

В основном, для удержания молекул ученые используют магнитооптическую ловушку, которая фиксирует атомы за счет взаимодействия с двумя лазерными пучками. Кроме того, с помощью лазеров исследователи охлаждают молекулы. Грубо говоря, для такого охлаждения нужно подобрать частоту лазера таким образом, чтобы быстрые («горячие») молекулы поглощали его фотоны, а медленные («холодные») пролетали мимо; подробнее про принципы лазерного охлаждения можно прочитать в статье «Демон Максвелла: наука невозможного». Вместе эти два метода позволили изучить много интересных эффектов, связанных со взаимодействием холодных частиц — например, образование конденсата Бозе — Эйнштейна. Тем не менее, большинство молекул в природе охладить с помощью лазера не получится, поскольку их электронные оболочки не позволяют подстроить частоту лазера нужным образом. Поэтому ученые продолжают разрабатывать альтернативные методы, которые смогут изучать столкновения холодных атомов без участия лазеров. К сожалению, до сих пор ни один из таких методов не добрался до реального эксперимента: во всех экспериментах плотность пойманных частиц была так мала, что систематически изучать их столкновения было невозможно.

Группа физиков под руководством Эдварда Наревичюса (Edvardas Narevicius) наконец построила первую экспериментальную установку, которая изучает столкновения холодных частиц без участия лазеров. Типичный сеанс работы установки выглядел следующим образом. Сначала ученые получали пучок быстрых парамагнитных частиц, например, молекул кислорода. Скорость молекул в таком пучке можно разбить на две составляющие: на скорость пучка как целого и на скорость относительно его центра масс. Квадрат второй скорости, усредненный по всем частицам, определяет среднюю температуру пучка. Учитывая, что молекулы пучка изначально движутся почти с одинаковой скоростью, исследователям было достаточно уменьшить до нуля «общую» компоненту. Для этого ученые пропускали пучок через последовательность из 240 пар магнитных катушек и прикладывали к ним специально подобранную последовательность элекромагнитных импульсов. В результате пучок адиабатически замедлялся до скорости порядка нескольких метров в секунду. Впрочем, даже в этом случае частицы пролетали сквозь ловушку за тысячные доли секунды, поэтому для их остановки требовались сильные переменные магнитные поля.

Поэтому на последнем этапе ученые резко останавливали молекулы с помощью сверхпроводящего магнита, создающего сильное поле с градиентом порядка одного тесла на миллиметр. Чтобы протекающий через магнит сильный ток не разрушил его сверхпроводимость, ученые охлаждали его до температуры, в шесть раз меньше критической температуры (до 15 кельвинов при критической температуре 90 кельвинов). Кроме того, несмотря на остановку центра масс пучка, молекулы продолжали двигаться со скоростью порядка десяти метров в секунду, что отвечает температуре около одного кельвина. Поэтому ученым приходилось быстро перестраивать поле ловушки, чтобы поймать частицы с помощью эффекта Зеемана. При этом физики продолжали следить за плотностью пучка с помощью ионизирующего лазера.

По скорости уменьшения числа частиц исследователи заключали, какой механизм определяет их столкновения. Если частицы сами по себе иногда «выскакивают» за пределы ловушки, плотность уменьшается экспоненциально (чтобы это понять, достаточно проинтегрировать простое дифференциальное уравнение: dn/dt = −a×n). Если за потери ответственны двухчастичные столкновения, то плотность падает обратно пропорционально времени (dn/dt = −a×n²). Если же в ловушке присутствует еще один тип частиц, который участвует в столкновениях, оба этих закона будут модифицироваться довольно сложным образом (dn₁/dt = −a×n₁×n₂).

Например, число молекул кислорода, пойманных в вакуумированную ловушку глубиной 50 милликельвин, придерживалось почти идеальной экспоненциальной зависимости в течение 90 секунд, что указывало на отсутствие столкновений частиц. В данном случае глубина — это разность энергии между уровнями молекул (один милликельвин примерно равен 10⁻⁷ электронвольт). В более глубоких ловушках на ранних этапах доминировало двухчастичное рассеяние. Наконец, при добавлении в ловушку атомов лития ученые также замечали отклонение от экспоненциальной зависимости, совпадающее с их ожиданиями.

Авторы статьи подчеркивают, что это первый эксперимент, в котором поймать достаточно много частиц (около миллиарда) при температуре порядка одного кельвина, а потом удерживать их в течение 90 секунд без использования лазера. Очевидно, что этот способ охлаждения можно применить и к другим парамагнитным частицам, которых в природе гораздо больше, чем частиц, подходящих для лазерного охлаждения. Поэтому ученые считают, что в будущем их работа поможет более детально изучить множество низкотемпературных реакций — в частности, реакции с биологическими молекулами.

Поскольку работать с оптическими ловушками сравнительно просто, физики чаще всего используют их при исследовании столкновений частиц. Например, в апреле 2018 года американские исследователи с помощью оптической ловушки провели химическую реакцию между отдельными атомами натрия и цезия, получив в результате возбужденную молекулу NaCs. А в марте этого года физики из США и Германии с помощью оптической ловушки смоделировали столкновение двух ультрахолодных атомов лития-6. Подробно прочитать про применения оптических ловушек и принцип их работы можно в материале «Скальпель и пинцет».

Дмитрий Трунин