Ультрахолодные тримеры синтезировали в смеси вырожденных атомных газов

Китайские физики продемонстрировали синтез ультрахолодных трехатомных молекул в смеси вырожденных атомных газов. Им удалось добиться фазовой плотности, существенно превышающей предыдущие попытки. Исследование опубликовано в Science.

Законы превращения одного вещества в другое, которые изучает химия, обычно основаны на экспериментах с достаточно большими объемами, где количество атомов или молекул огромное. По этой причине измеряемые в опыте величины носят статистический характер, и на помощь ученым приходит термодинамический подход. Конечно, вооружившись квантовой механикой, химики могут теоретически изучать элементарные акты химического взаимодействия, сопоставляя результат с эмпирическими данными. Однако их экспериментальное изучение требует методов беспрецедентного контроля, измерения и, в первую очередь, охлаждения отдельных атомов и атомных групп, которые появились сравнительно недавно и привели к рождению ультрахолодной химии.

Простейшими химическими реакциями, с которых начали ученые, стали образование и распад двухатомных молекул или димеров. Оказалось, что ультрахолодные молекулы — это еще и хороший объект для хранения квантовой информации, а многообразие энергетических уровней и взаимодействий обещают выполнение на них разнообразных квантовых симуляций.

Куда большое богатство разнообразной физики несут в себе молекулы с большим, чем два, числом атомов, но даже синтез трехатомных холодных молекул оказался сложной задачей. Здесь, как и на предыдущем этапе существует два подхода. Первый — это сначала синтезировать трехатомные молекулы, а затем охлаждать их доступными методами (именно так недавно получили ультрахолодные молекулы CaOH). Второй способ основан на синтезе в смеси двух, уже охлажденных одноатомных газов. Преимущество ультрахолодной ассоциации состоит в том, что молекулы могут наследовать низкие температуры и высокую плотность атомарных газов, и, таким образом, молекулярные газы могут иметь высокую плотность фазового пространства. Несмотря на это, пока мало кому удавалось эффективно провести такие реакции.

Существенный шаг в этом направлении сделала группа физиков из Научно-технического университета Китая под руководством Бо Чжао (Bo Zhao) и Цзянь Вэй Пань (Jian-Wei Pan). Ученые использовали метод магнитоассоциации, то есть синтеза в присутствии магнитного поля, в ультрахолодной смеси атомов ⁴⁰K и молекул ²³Na⁴⁰K, пойманных в оптическую дипольную ловушку. Им удалось добиться высокой фазовой плотности тримеров, существенно превышающей предыдущие результаты.

За связь между атомами, формирующими ультрахолодные молекулы, может быть ответственен резонанс Фешбаха. Так называют ситуацию, возникающую, когда поверхность потенциальной энергии взаимодействующих частиц имеет ярко выраженный минимум. В этом случае, согласно квантовой механике, может образоваться связанное состояние. Поскольку энергии атомов смещаются в магнитном поле, свойствами резонанса можно управлять.

Прежде, чем применить магнитоассоциацию к образованию тримеров, физики подготовили смесь бозе-конденсата атомов натрия-23 и вырожденного ферми-газа атомов калия-40 при температуре порядка ста нанокельвин. Сначала они синтезировали димеры с помощью вынужденного рамановского перехода (техника STIRAP) с последующей ассоциацией при 77,6 гаусса, получив на выходе вырожденный молекулярный ферми-газ. После удаления непрореагировавших атомов натрия, авторы перевели молекулы и оставшиеся атомы калия в максимально поляризованные состояния, для которых существует широкий резонанс Фешбаха при 48 гауссах.

Чтобы воспользоваться им, физики монотонно уменьшали магнитное поле от 55 до 45 гаусс в течение 10 миллисекунд и измеряли количество оставшихся димеров в смеси. По мере приближения к 48 гауссам число молекул NaK существенно уменьшалось, в том числе и за счет образования тримеров NaK₂.

Для характеризации энергетической глубины резонанса (по сути, энергии связи) ученые облучали смесь радиочастотным импульсом с энергией, чуть превышающей первый сверхтонкий резонанс в атоме калия. Разница частоты получившегося пика и известной атомной частоты была в точности равна энергии связи. Более этого, этот же метод позволил доказать, что исчезновение димеров связано с образованием тримеров: после применения импульса некоторое количество молекул NaK восстанавливалось, причем только при частоте радиоимпульса, превышающей порог диссоциации.

Оценки показали, что число тримеров в эксперименте достигало четырех тысяч, а их пиковая плотность была равна 3 × 10¹¹ обратных кубических сантиметров. Это соответствует пику плотности в фазовом пространстве, равному примерно 0,05, что на десять порядков больше, чем в предыдущих опытах.

Авторы оценили время жизни тримеров в несколько долей миллисекунды. Для его увеличения в будущем, вероятно, понадобится использовать методы экранировки молекул от неупругих соударений. Мы уже писали, как этого добиваются для димеров с помощью электрических полей и микроволнового излучения.