Конденсаты Бозе-Эйнштейна (КБЭ) — это удивительные состояния вещества, которые возникают, когда атомы или молекулы охлаждают до чрезвычайно низких температур, чуть выше абсолютного нуля (0 К). В 2023 году физики из Колумбийского университета впервые реализовали КБЭ, состоящие из ультрахолодных молекул.
Основываясь на их работе, другая исследовательская группа из Венского технического университета и Венского центра квантовой науки и технологий недавно решила изучить поведение этих ультрахолодных дипольных молекул. Они также исследовали возможность того, что молекулы могут спонтанно организовываться в новые формы материи. Их выводы, опубликованные в журнале Physical Review Letters, указывают на то, что в ультрахолодных полярных молекулах могут возникать новые коррелированные состояния.
«Конденсаты Бозе-Эйнштейна из ультрахолодных полярных молекул были целью на десятилетие, но экспериментально реализованы только недавно», — рассказал Маттео Чиарди, соавтор статьи.
Цели исследования
Основная цель недавнего исследования, проведённого Чиарди, Лангеном, Каспером Рённингом Педерсеном и Томасом Полем, заключалась в выявлении новых аспектов физики дипольных молекул, которые вскоре можно будет исследовать экспериментально. Кроме того, они хотели пролить свет на то, как эти аспекты могут проявляться в ультрахолодных молекулах, где взаимодействия особенно сильны.
Дипольные моменты и сложность молекул
Дипольные моменты в атомах являются магнитными, и это ограничивает их размер. В отличие от этого, полярные молекулы могут иметь электрические диполи, и их размер может быть значительно больше, чем у атомов, что увеличивает их сложность и может открыть новые возможности для наблюдения новых фаз вещества.
«Проблема с ультрахолодными молекулами заключается в том, что, поскольку взаимодействия очень сильны, приближённые методы, обычно используемые для ультрахолодных атомов, становятся ненадёжными», — объяснил Чиарди.
Для решения этой проблемы исследователи обратились к более сложным методам, в частности, к методу Path Integral Monte Carlo, который был разработан для прогнозирования поведения сильно коррелированных бозонов, таких как сверхтекучий гелий-4.
Результаты моделирования
Моделирование, проведённое исследователями, показало, что ультрахолодные полярные молекулы могут образовывать сильно коррелированные фазы без необходимости какого-либо внешнего удержания. В частности, они намекнули на возникновение этих самосвязанных фаз в одномолекулярных кристаллах.
«Поскольку параметры, которые мы используем, являются реалистичными (и более поздние эксперименты в последние месяцы начинают приближаться к этим областям фазовой диаграммы), существует сильное предположение, что эти фазы могут быть реализованы в экспериментах в ближайшее время», — сказал Чиарди.
Исследователи обнаружили, что ультрахолодные полярные молекулы могут образовывать самосвязанные квантовые капли при более низких силах взаимодействия, чем предсказывали предыдущие работы. Эти капли могут затем трансформироваться в сверхтекучие мембраны, двухмерные (2D) слои без трения, а затем в кристаллический монослой, который остаётся связанным вместе без необходимости быть ограниченным.
«Наши результаты демонстрируют, что сильно коррелированные новые состояния вещества действительно могут существовать и быть исследованы в ультрахолодных молекулярных системах в реалистичных экспериментальных условиях», — добавил Ланген.
Будущие исследования
Исследователи планируют продолжить свой анализ в надежде обнаружить любые другие фазы, которые можно будет исследовать экспериментально. Чиарди особенно надеется охарактеризовать другие кристаллические фазы ультрахолодных полярных молекул. Ланген, экспериментальный физик, сейчас работает над реализацией состояний, смоделированных его коллегами в лабораторных условиях.
«Мы пытаемся реализовать эти состояния путём лазерного охлаждения молекул до ультрахолодных температур», — сказал Ланген. «Эти усилия позволят нам воплотить наши теоретические предсказания в жизнь и непосредственно изучить их свойства».
«Одной из интересных особенностей полярных молекул является то, что мы можем контролировать и модифицировать способ их взаимодействия», — добавил Педерсен. «Это в отличие, скажем, от того, как взаимодействуют электроны, что фиксировано и дано природой».