Молекули охолодили до рекордно низької температури, що відрізняється від абсолютного нуля всього на 50 мільйонних градуси.
Дуже холодні молекули, які майже не мають теплового руху, потрібні фізикам для різних досліджень, починаючи з вивчення властивостей самих молекул до створення квантових комп'ютерів. Вважають, що при цьому повинні сповільнюватися і різні реакції, що дозволить вивчити процеси, що відбуваються. Однак на шляху досягнення наднизьких температур природа встановила цілий ряд бар'єрів.
Автори рекордного досягнення з Центру холодної матерії в Імперському коледжі Лондона використовували найпоширеніший спосіб лазерного охолодження молекул - доплерівський.
Щоб зрозуміти його механізм, згадаймо, що атом поглинає і випромінює фотони з енергією h^ (^ - частота світла, h -постійна Планка), рівною різниці його рівнів енергії. У цьому методі частота лазерного випромінювання вибирається дещо менше, ніж потрібно для поглинання. Але через ефект Доплера, що рухається назустріч фотону атом «бачить» у того велику частоту і поглинання все ж відбувається.
Потім збуджений атом спонтанно випромінює фотон, але вже більшої частоти. Тому при кожному такому циклі поглинання-випромінювання він втрачає частину своєї кінетичної енергії, а, значить, охолоджується. На лазера атом, що наздоганяє промінь, не реагує, оскільки ефект Доплера для нього ще більше знижує частоту, роблячи поглинання неможливим.
Кілька лазерних променів, що йдуть в різних напрямках, уповільнюють атоми при будь-якому напрямку їх руху. Створюється враження, що атоми рухаються у в'язкій рідині на зразок меду або патоки. Такий метод охолодження і отримав назву «оптичної патоки».
Однак таким способом не можна охолодити молекули і атоми до температур нижче, ніж кілька сотень мікрокельвінів. Справа в тому, що через співвідношення невизначеностей поглинаються фотони не однієї частоти, а цілого діапазону частот. Фізики кажуть, що спектральна лінія має ширину. Але тоді при низьких швидкостях атомів будуть поглинатися фотони з обох напрямків, і метод перестане працювати. Температура, при якій це відбувається, отримала назву доплерівської межі. Для використання у роботі монофториду кальцію CaF вона вище 640 мкК (1 мкК = 10-6 К- мільйонна частка градуса).
Тому далі автори дослідження використовували другий етап з так званим сизифовим охолодженням. Тут молекула втрачає енергію через взаємодію зі світлом зі змінюваною в просторі поляризацією, який створюється двома лазерними променями, що поширюються назустріч. Розподіл електричного поля при цьому нагадує своєрідну гребінку, «зубя» якої скидають атом у все більш низький енергетичний стан. Ось за цей почерговий рух атома як би в гору і скидання метод і отримав ім'я Сізіфа, покараного богами вічно закочувати на гору камінь.
Цей метод відомий стосовно атома досить давно. У 1997 році за роботи з охолодження атомів і, зокрема, за пояснення цього методу Нобелівську премію отримав французький фізик Клод Коен-Таннуджі. Його команді тоді вдалося охолодити атоми до 0,18 мкК. Нагадаємо, що абсолютний нуль температури, вимірюваної в Кельвінах, відповідає -273,15 градусів Цельсія. Однак так сильно охолодити молекули довгий час не вдавалося через їх більш складну структуру енергетичних рівнів порівняно з атомами.
Фізики з Центру холодної матерії в Імперському коледжі Лондона зуміли вирішити всі проблеми і домогтися рекордно низької температури 50 мкК. Про це повідомив журнал Nature Physics. З препринтом роботи можна познайомитися на сайті arxiv.org.