Исследователи из группы Ханнса-Кристофа Нэгерла впервые в мире создали ультрахолодные молекулы KCs в их абсолютном основном состоянии. Начав со смешивания облаков атомов калия и цезия, охлаждённых почти до температуры, близкой к абсолютному нулю, они смогли использовать комбинацию магнитных полей и лазерных лучей для соединения пар свободно движущихся атомов в химически стабильные молекулы.
Работа [опубликована](https://link.aps.org/doi/10.1103/gjzh-8dsb) в журнале Physical Review Letters.
Производство молекул
Молекулы могут быть получены только в результате [химических реакций](https://phys.org/tags/chemical+reactions/), которые происходят в непредсказуемое время. Более высокие температуры ускоряют реакции, а достаточно [низкие температуры](https://phys.org/tags/low+temperatures/) могут полностью остановить реакции. Эти утверждения не применимы, если химией занимаются физики.
За последние 20 лет в газовых смесях при температурах, близких к абсолютному нулю, с помощью методов, сужающих точное время образования молекул до нескольких микросекунд, были получены несколько различных типов молекул.
До недавнего времени KCs оставался пробелом в таблице возможных комбинаций элементов, которые уже были превращены в молекулы таким образом.
Сборка ультрахолодных молекул
Чтобы собрать молекулы достаточно контролируемым образом, нужно начать со смеси ультрахолодных атомных газов. Хотя приготовление таких газов с одним элементом стало стандартной экспериментальной методикой во всём мире, охлаждение двух элементов одновременно — это другая история.
«Калий и цезий были последними щелочными элементами, которые были охлаждены до конденсации Бозе-Эйнштейна по отдельности, — говорит Чарли Беуленкамп, один из ведущих авторов этого исследования, — что указывает на то, насколько сложно их контролировать. Охлаждение их одновременно — это задача совершенно другого уровня».
К счастью, благодаря настойчивости команды из Инсбрука, эта задача наконец-то решена.
Первым шагом в сборке ультрахолодных молекул является так называемая магнито-ассоциация, при которой близлежащие атомы разных элементов превращаются в связанные пары путём перемещения [внешнего магнитного поля](https://phys.org/tags/external+magnetic+field/) через резонансную точку. Такие пары связаны очень слабо и могут быть легко разрушены — можно сказать, что атомы теперь помолвлены, но ещё не женаты.
Чтобы сделать эти молекулы химически стабильными, их необходимо перевести в так называемое абсолютное основное состояние: состояние с наименьшей энергией среди всех возможных состояний данной молекулы.
Переходы между различными внутренними состояниями атомов или молекул обычно можно осуществить с помощью [лазерного света](https://phys.org/tags/laser+light/), настроенного на соответствующую частоту, но в этом случае прямой переход запрещён, что требует использования третьего, промежуточного состояния в качестве опоры.
«Магнито-ассоциированные пары и молекулы в основном состоянии — это совсем разные существа, — объясняет Кшиштоф Замарски, другой ведущий автор этой работы, — и превращение одного в другое — это как прыжок с шестом через каньон. Чтобы это сделать, нужно найти точку опоры для шеста, которая должна быть крошечным камнем, едва заметным в темноте. Найти такую точку — основная проблема, которую необходимо решить на пути к производству ультрахолодных молекул».
Квантовый молекулярный синтез
Квантовый молекулярный синтез может производить лишь несколько тысяч молекул за раз, так что вряд ли он сможет заменить традиционную химию в ближайшее время. Однако у него есть много других интересных применений. Один из самых больших вопросов в современной физике — почему некоторые материалы проявляют определённые экзотические свойства, такие как сверхпроводимость.
Эти явления трудно описать теоретически из-за большого количества частиц, но их также сложно изучить экспериментально из-за малых масштабов, на которых они происходят, а также из-за несовершенств, от которых страдают реальные материалы. Здесь на сцену выходят ультрахолодные газы, в частности газы молекул.
Благодаря своему большому электрическому дипольному моменту молекулы, состоящие из двух разных элементов, взаимодействуют друг с другом на больших расстояниях, имитируя электроны в твердотельных системах. В то же время их низкая температура позволяет удерживать их с помощью лазерного света и манипулировать ими далее с помощью различных методов.
«Удержание молекул в геометрии, напоминающей реальные кристаллы, даёт нам возможность непосредственно наблюдать квантовую динамику, которая управляет экзотическими материалами, — говорит Ханнс-Кристоф Нэгерл из Департамента экспериментальной физики Университета Инсбрука, — что и является идеей экспериментальных квантовых симуляций».
Предоставлено [Университетом Инсбрука](https://phys.org/partners/university-of-innsbruck/).
published in the journal Physical Review Letters.»,»Molecules can only be produced in chemical reactions, which always occur at unpredictable, random times. Higher temperatures make reactions faster, and sufficiently low temperatures may stop reactions from taking place altogether. These statements do not apply if chemistry is conducted by physicists.»,»In the last 20 years, several different types of molecules have been produced in gaseous mixtures at temperatures close to absolute zero, using methods that narrow the exact time at which the molecules are made to a few microseconds.»,»Until recently, KCs remained a gaping hole in the table of possible element combinations that have already been turned into molecules in this way.»,»In order to assemble molecules in a sufficiently controlled way, one needs to start with a mixture of ultracold atomic gases. Even though preparing such gases with a single element has become a standard experimental technique around the world, cooling two elements at the same time is a different story.»,»\»Potassium and cesium were the last alkali elements to be cooled down to Bose-Einstein condensation on their own,\» says Charly Beulenkamp, one of the lead authors of this study, \»which indicates how difficult they are to control. Cooling them down at the same time is a challenge at an entirely different level.\»»,»Luckily, thanks to the persistence of the team from Innsbruck, this challenge has finally been overcome.»,»The first step of assembling ultracold molecules is the so-called magneto-association, in which nearby atoms of different elements are turned into bound pairs by sweeping the external magnetic field across a resonant point. Such pairs are only bound very weakly, and could easily be broken apart—one could say that the atoms are now engaged, but not yet married.»,»To make these molecules chemically stable, they must be transferred into what is known as their absolute ground state: the state with the lowest energy among all possible states of a given molecule.»,»Transfers between different internal states of atoms or molecules can usually be performed using laser light tuned to an appropriate frequency, but in this case a direct transition is forbidden, requiring the use of a third, intermediate state as a pivoting point.»,»\»Magneto-associated pairs and ground-state molecules are very different beings,\» explains Krzysztof Zamarski, the other lead author of this work, \»and turning one into the other is like pole-vaulting across a canyon. To be able to do this, one needs to find a supporting point for the pole, which has to be a tiny rock that is barely visible in the dark. Finding such a point is the main problem to be solved on the path towards producing ultracold molecules.\»»,»Quantum molecular synthesis can only produce a few thousand molecules at a time, so it is unlikely to replace conventional chemistry any time soon. However, it has many other exciting applications. One of the biggest questions in modern physics is why some materials exhibit certain exotic properties, such as superconductivity.»,»These phenomena are difficult to describe theoretically, because of the large number of particles involved, but it is also challenging to study them experimentally, due to the small length-scales on which they occur, as well as the imperfections that real materials suffer from. This is where ultracold gases, in particular gases of molecules, enter the stage.»,»Thanks to their big electric dipole moment, molecules composed of two different elements interact with each other across long distances, mimicking electrons in solid-state systems. At the same time, their low temperature makes it possible to trap them with laser light and manipulate them further using various techniques.»,»\»Trapping molecules in a geometry that resembles real crystals gives us an opportunity to directly observe the quantum dynamics that govern exotic materials,\» says Hanns-Christoph Nägerl from the Department of Experimental Physics at the University of Innsbruck, \»which is the idea behind experimental quantum simulations.\»»,»\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tProvided by\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tUniversity of Innsbruck\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t»,»\n\t\t\t\t\t\t\tMore from Atomic and Condensed Matter\n\t\t\t\t\t\t «]’>Источник