Газ полярных молекул охладили ниже температуры Ферми

Giacomo Valtolina et al. / Nature, 2020
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 охлаждения газа эффективнее и позволило авторам впервые получить вырожденный газ полярных молекул.
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