|
Молекулы довели до нового предела ультрахолодности
|
|
|
|
В городе появилось новое популярное блюдо, которое не имеет ничего общего с беконом, яйцами и сыром. Вы найдете его не в местном винном погребке, а в самом холодном месте Нью-Йорка: в лаборатории физика из Колумбийского университета Себастьяна Уилла, чья экспериментальная группа специализируется на доведении температуры атомов и молекул до температуры всего на доли градуса выше абсолютного нуля. Как писал журнал Nature, лаборатория Уилла при поддержке сотрудника-теоретика Тийса Кармана из Университета Радбуда в Нидерландах успешно создала из молекул уникальное квантовое состояние вещества, называемое конденсатом Бозе-Эйнштейна (BEC). Их BEC, охлажденный всего до пяти нанокельвинов, или около -459,66 ° F, и стабильный в течение поразительно долгих двух секунд, состоит из молекул натрия и цезия. Как и молекулы воды, эти молекулы полярны, что означает, что они несут как положительный, так и отрицательный заряд. Неравномерное распределение электрического заряда способствует взаимодействиям на больших расстояниях, которые создают интереснейшую физику, отметил Уилл.
|
|
|
|
Исследования, которые Will lab с нетерпением ожидает продолжить с помощью своих молекулярных BEC, включают в себя изучение ряда различных квантовых явлений, включая новые типы сверхтекучести - состояния вещества, которое течет без какого-либо трения. Они также надеются превратить свои BEC в симуляторы, которые смогут воссоздавать загадочные квантовые свойства более сложных материалов, таких как твердые кристаллы. "Молекулярные конденсаты Бозе-Эйнштейна открывают совершенно новые области исследований, от понимания подлинно фундаментальной физики до проведения мощных квантовых симуляций", - сказал он. "Это захватывающее достижение, но на самом деле это только начало". Это мечта, ставшая реальностью для лаборатории Уилла, и то, что десятилетиями создавалось более широким сообществом исследователей ультрахолодных продуктов. Микроволны - это форма электромагнитного излучения, имеющая давнюю историю в Колумбийском университете. В 1930-х годах физик Исидор Исаак Раби, которому впоследствии была присуждена Нобелевская премия по физике, провел новаторскую работу в области микроволн, которая привела к разработке бортовых радарных систем.
|
|
|
"Раби был одним из первых, кто начал управлять квантовыми состояниями молекул, и был пионером в области микроволновых исследований", - сказал Уилл. "Наша работа продолжается в рамках этой 90-летней традиции". Возможно, вы знакомы с ролью микроволн в разогреве пищи, но, как оказалось, они также могут способствовать охлаждению. Отдельные молекулы имеют тенденцию сталкиваться друг с другом и в результате образуют более крупные комплексы, которые исчезают из образцов. Микроволны могут создавать небольшие экраны вокруг каждой молекулы, которые предотвращают их столкновение, - идея, предложенная Карманом, их сотрудником из Нидерландов. Благодаря тому, что молекулы защищены от столкновений с потерями, из образца могут быть удалены только самые горячие из них — тот же физический принцип, который охлаждает вашу чашку кофе, когда вы дуете на ее верхушку, объяснил автор Никколо Бигальи. Те молекулы, которые останутся, будут более холодными, и общая температура образца понизится.
|
|
|
|
Прошлой осенью команда была близка к созданию молекулярного BEC в работе, опубликованной в журнале Nature Physics, в которой был представлен метод защиты от микроволнового излучения. Но потребовался еще один экспериментальный поворот. Когда они добавили второе микроволновое поле, охлаждение стало еще более эффективным, и натрий-цезиевый состав наконец—то преодолел порог BEC - цель, к которой лаборатория Will стремилась с момента своего открытия в Колумбийском университете в 2018 году. "Для меня это было фантастическим завершением", - сказал Бигальи, который этой весной защитил докторскую диссертацию по физике и был одним из основателей лаборатории. "У нас еще не было лаборатории, и мы пришли к этим фантастическим результатам". В дополнение к уменьшению столкновений, второе микроволновое поле может также манипулировать ориентацией молекул. Это, в свою очередь, является средством управления их взаимодействием, которое в настоящее время исследуется лабораторией. "Контролируя эти дипольные взаимодействия, мы надеемся создать новые квантовые состояния и фазы материи", - сказал соавтор и постдок Колумбийского университета Ян Стивенсон.
|
|
|
|
Йе, пионер в области ультрахолодных материалов из Боулдера, считает полученные результаты прекрасным научным достижением. "Эта работа окажет важное влияние на ряд научных областей, включая изучение квантовой химии и исследование сильно коррелированных квантовых материалов", - прокомментировал он. "Эксперимент Уилла предусматривает точное управление молекулярными взаимодействиями, позволяющее направить систему к желаемому результату — замечательное достижение в технологии квантового управления". Тем временем команда из Колумбийского университета очень рада получить теоретическое описание взаимодействий между молекулами, которое было подтверждено экспериментально. "У нас действительно есть хорошее представление о взаимодействиях в этой системе, что также важно для следующих шагов, таких как изучение физики дипольных многочастичных систем", - сказал Карман. "Мы разработали схемы управления взаимодействиями, проверили их в теории и реализовали в эксперименте. Было действительно удивительно наблюдать, как эти идеи по "экранированию" микроволновых излучений реализуются в лаборатории".
|
|
|
|
Существуют десятки теоретических предсказаний, которые теперь можно проверить экспериментально с помощью молекулярного BEC, который, как отметил соавтор исследования и аспирант Сивэй Чжан, достаточно стабилен. Большинство экспериментов с ультрахолодным веществом проводятся в течение секунды — некоторые из них длятся всего несколько миллисекунд, — но молекулярный процесс в лаборатории длится более двух секунд. "Это действительно позволит нам исследовать открытые вопросы квантовой физики", - сказал он. Одна из идей заключается в создании искусственных кристаллов с БЭК, заключенными в оптическую решетку, изготовленную из лазеров. Это позволило бы проводить мощное квантовое моделирование, имитирующее взаимодействия в природных кристаллах, отметил Уилл, который является одной из основных областей физики конденсированных сред. Квантовые симуляторы обычно изготавливаются из атомов, но атомы взаимодействуют на малых расстояниях - они практически должны находиться друг над другом, — что ограничивает возможность моделирования более сложных материалов. "Молекулярный BEC привнесет больше изюминки", - сказал Уилл.
|
|
|
|
Это включает в себя измерение, говорит соавтор и аспирант Вейцзюнь Юань. "Мы хотели бы использовать BEC в 2D-системе. Когда вы переходите от трех измерений к двум, вы всегда можете ожидать появления новой физики", - сказал он. Двумерные материалы являются основной областью исследований в Колумбийском университете; наличие модельной системы, состоящей из молекулярных BEC, могло бы помочь Уиллу и его коллегам в области конденсированных сред исследовать квантовые явления, включая сверхпроводимость, сверхтекучесть и многое другое. "Кажется, перед нами открывается целый новый мир возможностей", - сказал Уилл.
|
|
|
|
Источник
|
