Физики впервые смогли охладить молекулы до абсолютного нуля

Французские и американские физики разработали новую методику испарительного охлаждения, которая позволяет остудить отдельные молекулы до температуры, всего на 5 милликельвинов превышающей значение абсолютного нуля, и опубликовали инструкции по сборке такого «холодильника» в статье в журнале Nature.

Испарительное охлаждение является одним из самых универсальных механизмов снижения температуры как в природе, так и в технике. Так, человеческое тело использует испарение пота для снижения своей температуры, а чашка кофе охлаждается, выделяя клубы пара.

Данный механизм широко используется в физике для охлаждения отдельных атомов до температур, близких к абсолютному нулю.

Группа физиков под руководством Цзюна Йе (Jun Ye) из университета штата Колорадо в городе Боулдер (США) смогла охладить молекулы до температуры в несколько милликельвинов, разработав специальную ловушку, позволяющую удалять наиболее горячие молекулы из сосуда.

Как объясняют физики, во время охлаждения самые горячие и подвижные молекулы жидкости отрываются от нее и превращаются в пар. Этот процесс приводит к снижению температуры жидкости и соприкасающейся с ней материи. Столкновение атомов или молекул пара может привести к повторному «разогреву» образца, поэтому пар постоянно удаляют из сосуда. Молекулы ведут себя гораздо сложнее, чем атомы, из-за чего ученым не удавалось остудить молекулы до околонулевых температур.

Йе и его коллеги создали специальное устройство, способное управлять поведением отдельных групп молекул с заданной температурой и энергией. Оно представляет собой набор из нескольких достаточно мощных, но миниатюрных микроволновых излучателей, мощность и направление луча которых можно тонко регулировать.

По словам физиков, данный прибор работает как молекулярная «ловушка», удерживающая на месте молекулы с низкой энергией и позволяющая испаряться частицам с относительно высокой температурой. Постепенно уменьшая порог температуры, ученые тем самым снижают температуру образца до тех пор, пока она не достигнет околонулевых значений.

Для демонстрации возможностей ловушки ученые изготовили свыше миллиона молекул гидроксил-радикала — соединения кислорода и водорода — и охладили их до температуры в 5 милликельвинов. Полученное облако из молекул было в тысячу раз плотнее, чем аналогичное скопление из ОН-радикалов при температуре в 50 милликельвинов, достижимой при помощи других методов охлаждения.

Как отмечают исследователи, дальнейшее совершенствование ловушки позволит им охладить молекулы до температуры в 1 милликельвин или даже ниже.

Йе и его коллеги предполагают, что в таком случае ОН-радикалы будут вести себя как единая супермолекула, изучение которой поможет понять, как происходят химические реакции, и как их можно контролировать.

Источник