Газ полярных молекул охладили ниже температуры Ферми

Физикам удалось охладить ферми-газ, состоящий из молекул, ниже температуры Ферми. Они научились настраивать упругие взаимодействия в газе полярных молекул внешним электрическим полем и получили вырожденный газ. Работа опубликована в журнале Nature.

Эксперименты с ультрахолодными атомными газами позволяют проверять теоретические модели и находить новые эффекты в сложных квантовых системах. Подробнее об ультрахолодных газах можно прочесть в нашем материале «Квантовые газы при низких температурах». В то же время ученые пытаются получить ультрахолодный газ из молекул, которые взаимодействуют намного эффективнее, чем атомы. Строго говоря, их интересуют полярные молекулы, между которыми возникает сильное диполь-дипольное взаимодействие.

Квантовые эффекты в газах Ферми или Бозе — Эйнштейна можно наблюдать при очень низких температурах и высоких концентрациях частиц, то есть если газы вырождены. В случае молекулярных газов достичь вырожденности сложно из-за наличия сильных неупругих потерь.

Группа исследователей из Национального института стандартов и технологий под руководством Цзюнь Е (Jun Ye) разработала и проверила систему, которая позволяет контролировать упругие взаимодействия в молекулярных ферми-газах. Увеличение числа упругих соударений в сравнении с неупругим сделало испарительное охлаждение газа эффективнее и позволило авторам впервые получить вырожденный газ полярных молекул.

Ученые использовали смесь из охлажденных ферми-газа изотопов калия и бозе-газа изотопов рубидия, которую помещали в оптическую дипольную ловушку и формировали из них двухмерные облака атомов. Для того чтобы получить молекулы из двух типов атомов, необходимо точно подобрать внешнее магнитное поле. Оно должно компенсировать разницу между энергиями свободных атомов и связанных для соблюдения закона сохранения энергии. После этого молекулы охлаждают до основного состояния когерентными световыми импульсами, вызывая вынужденное рамановское излучение (такой метод называется STIRAP).

Молекулы образованного двумерного газа являются диполями, потому что состоят из двух разных атомов. Это очень важно для их дальнейшего применения в симуляции квантовых систем из-за наличия сильного диполь-дипольного взаимодействия, которого нет у атомов и гомоядерных молекул. В зависимости от ориентации полярной молекулы можно менять характер их взаимодействия. Авторы помещали молекулярный газ между шестью электродами, состоящими из стеклянных поверхностей, покрытых оксидом индия-олова и стержней из вольфрама. Эта конфигурация позволяла электрически поляризовать молекулы так, чтобы они сталкивались одинаково заряженными концами и отталкивались (упругое взаимодействие).

Авторам удалось получить значения упругого взаимодействия в сто раз превышающие неупругое. Благодаря этому последующее удаление горячих молекул, то есть испарительное охлаждение, оказалось очень эффективным и позволило охладить оставшиеся молекулы до достижения фермиевского вырождения.

Разработанный физиками метод оказывается универсальным и может обеспечить бозе-конденсацию в бозонных молекулярных газах. Кроме того, результаты работы создают основу для исследования сильно-коррелированных систем.

Физики не только заставляют холодные атомы образовывать молекулы, но и изучают взаимодействия облаков разных атомов, как, например, австрийские физики, которые создали бозе-конденсат из изотопов эрбия и диспрозия. А американские физики выяснили, что произойдет, если взять смеси атомов с существенно разными массами.

Оксана Борзенкова