Газ ультрахолодных полярных молекул довели до квантового режима

Европейские физики смогли довести трехмерный газ полярных молекул до температуры в три раза ниже температуры Ферми – предела, после которого на поведении вещества начинают сказываться квантовые эффекты, связанные с принципом запрета Паули. В будущем это позволит проводить эксперименты с полярными молекулами в квантовом режиме, например, использовать их в качестве квантового симулятора для изучения других фермионных систем. Исследование опубликовано в Nature.

Диполь-дипольное взаимодействие — это самый сильный механизм, с помощью которого могут электромагнитно взаимодействовать нейтральные частицы. Рекордсменами в этой области считаются полярные молекулы, в число которых входят, например, молекулы воды. Электронная плотность в них смещена относительно положительного заряда ядер. Полярные молекулы могли бы стать прекрасным инструментом для квантовой симуляции сильных взаимодействий многих тел, например, дырок и электронов, но для этого молекулы нужно перевести в режим вырожденного квантового газа. О том, что это такое, читайте в материале «Квантовые газы при низких температурах».

Чтобы газ стал вырожденным, его нужно достаточно сильно охладить. Ученые знают несколько методов охлаждения до ультранизких температур, но в случае с полярными молекулами все упирается в проблему: чтобы холод распространился по всему ансамблю, частицы должны перераспределить между собой энергию за счет упругих взаимодействий. Но ультрахолодные полярные молекулы от столкновений чаще всего разрушаются.

Ранее мы рассказывали, как физикам с помощью электрического поля удалось резко увеличить частоту упругих столкновений в двумерном ферми-газе, охладив его ниже температуры Ферми. В трехмерном случае эту проблему также пытались решать с помощью постоянного поля. Физики смогли подавить неупругие взаимодействия, однако температура, которую они достигли, превышала температуру Ферми в полтора раза. Наконец, еще один способ защитить молекулы от разрушительных столкновений — это использовать микроволновое излучение, однако насколько он будет эффективен в задаче охлаждения ниже температуры Ферми, до недавнего времени было непонятно.

Ответить на этот вопрос смогла группа физиков из Германии и Нидерландов под руководством Иммануила Блоха (Immanuel Bloch) и Синь-Юй Ло (Xin-Yu Luo) из Института квантовой оптики Общества Макса Планка. Экранируя столкновения молекул NaK с помощью точно выстроенного микроволнового поля, они смогли довести отношение числа упругих соударений к неупругим до 500, что оказалось благоприятным для испарительного охлаждения холодного газа. В результате авторы смогли остудить молекулы до температуры, равной трети температуры Ферми, что открывает дорогу к широкому классу экспериментов.

Идея микроволнового экранирования завязана на наведении в молекулах эффективного дипольного момента, зависящего от параметров поля, которое создает катушка. В частности, этот эффект возникает в ситуации, когда частота микроволновых фотонов близка к переходу из основного вращательного состояния |J = 0, mJ = 0⟩ в одно из возбужденных, а именно |J = 1, mJ= –1⟩. Резонансное взаимодействие приводит к перемешиванию основного и возбужденного состояний («одеванию»), пропорции которого зависят от интенсивности и отстройки микроволнового поля.

От них же зависит и эффективный дипольный момент, который приобретают «одетые» молекулы. Физики делали частоту поля немного больше, чем резонанс перехода, чтобы большинство молекул занимали одно конкретное (плюсовое) «одетое состояние». Когда две молекулы в плюсовых состояниях приближаются друг к другу, наведенное диполь-дипольное взаимодействие выравнивает их вдоль одной оси и эффективно отталкивает, увеличивая упругие соударения и предотвращая столкновительные потери.

Для экспериментальной реализации экранирования авторы производили молекулярный газ, смешивания ансамбли атомов ²³Na и ⁴⁰K в оптической ловушке, образованной двумя пересекающимися инфракрасными лучами. Чтобы оценить скорости упругих и неупругих взаимодействий, они использовали времяпролетную технику измерения температуры. Когда ловушка выключается, молекулы разлетаются в разные стороны, и если сфотографировать облако в этот момент, можно восстановить начальное распределение скоростей, и, следовательно, температуру. 

Уменьшение числа молекул со временем дает информацию о неупругих потерях в газе. Упругие же столкновения физики оценивали, нагревая газ вдоль одной из осей и измеряя динамику термализации, то есть распределения избытка кинетической энергии по другим степеням свободы. Оказалось, что минимум потерь в таком газе наступает при частоте расстройки поля, равной 8 мегагерцам. В этом случае частота неупругих соударений снижается более чем на порядок, а упругих, наоборот, резко растет, переводя газ в гидродинамический режим.

Следом авторы стали испарительно охлаждать газ. Эта техника заключается в понижении потенциала ловушки, позволяющему слишком быстрым молекулам ее покинуть под действием гравитации. После термализации температура ансамбля частиц уменьшается. При этом стоит отметить, что для перевода в квантовый режим температура должна быть ниже температуры Ферми, которая, однако, также падает с числом оставшихся молекул.

Физики стартовали с 25 тысяч молекул и экспоненциального уменьшения глубины ловушки в течение 150 миллисекунд. Для ускорения процесса термализации им понадобилось добавить третий лазерный луч перпендикулярно плоскости ловушки, чья интенсивность, наоборот, росла. На финальном этапе протокола ученые дали газу настояться в течение 100 миллисекунд. В конце протокола в ловушке осталось всего 3,6 тысячи молекул, зато их температура составила 0,36±0,09 температуры Ферми или 21±5 нанокельвин.

По заявлению авторов, полученный результат мог бы быть улучшен путем оптимизации загрузки молекул в ловушку, чтобы их плотность в фазовом пространстве была еще выше, а также уменьшения шумов в источнике микроволнового излучения. Согласно их оценкам, температура полярных молекул может составить всего десятую долю температуры Ферми, что уже позволит исследовать спаривание молекул в тетрамеры с образованием сверхтекучей жидкости и даже бозе-конденсата.

Молекулы NaK нетипичны для химии комнатных температур, поскольку они очень хрупкие. Для них и подобных им соединений физики используют магнитоассоциацию через резонанс Фешбаха. О том, как с помощью магнитного поля можно управлять скоростью такой химической реакции, мы недавно рассказывали.

Марат Хамадеев