Газ из молекул гидроксила охлажден до температуры, очень близкой к абсолютному нулю

Впервые физики охладили газ из простейших двухатомных молекул гидроксила до очень низких (вблизи абсолютного нуля) температур, использовав процесс, похожий по своей сути на процесс испарительного охлаждения, посредством которого понижается температура любой жидкости.

В середине девяностых годов прошлого века метод испарительного охлаждения впервые применили для создания нового, пятого агрегатного состояния вещества – конденсата Бозе–Эйнштейна из атомов рубидия. Замечательным свойством такого конденсата является то, что составляющие его атомы ведут себя как единое целое и образуют осязаемый по физическим размерам макроскопический и одновременно квантовый объект. Переход в состояние конденсата возможен лишь вблизи температуры абсолютного нуля.

В своей новой работе физики из США обратились к простейшей двухатомной молекуле гидроксила, состоящей из атомов кислорода и водорода. Методом испарительного охлаждения удалось в течение 70 миллисекунд понизить температуру приблизительно одного миллиона молекул гидроксила от 50 до 5 милликельвинов, что всего на 5 тысячных градуса выше температуры абсолютного нуля. При этом плотность вещества возросла в тысячу раз.

Суть процесса испарительного охлаждения для любой среды в том, что молекулы, обладающие энергией большей средней, вылетают из объема вещества, что делает его более холодным и плотным. Однако не все так просто, когда речь идет об атомном, а тем более молекулярном газе при сверхнизких температурах. Для их охлаждения с целью управления поведением «испаряющихся» молекул применяются магнитные ловушки, воздействующие на собственные магнитные моменты молекул – спины. В магнитной ловушке удерживаются только те атомы или молекулы, спин которых направлен по полю.

Для охлаждения молекул гидроксила был разработан новый тип ловушки, в котором магнитное поле работает совместно с электромагнитными импульсами. Микроволновые электромагнитные импульсы, настроенные на определенные частоты, слегка перестраивают энергетические уровни находящихся в ловушке горячих молекул. Затем кратковременное воздействие импульсов небольшого электрического поля используется для энергетической дестабилизации перестроенных молекул и выноса их из ловушки - "испарения". Когда частоты микроволновых импульсов изменяются, молекулы внутри магнитной ловушки также изменяют свои энергетические уровни и более горячие из них перемещаются с верхних уровней ловушки вглубь, где молекулы холоднее.

В дальнейшем ученые надеются охладить систему до 1 милликельвина и получить полноценный конденсат Бозе-Эйнштейна, представляющий собой единую супермолекулу.