Американские ученые смогли получить ультрахолодный молекулярный газ с температурой в 500 нанокельвин – если им удастся понизить температуру еще в 10 раз, они получат новое экзотическое квантовое состояние материи: сверхтекучий кристалл. Статья с результатами эксперимента опубликована в журнале Physical Review Letters.

Воздух вокруг нас заполнен хаотически движущимися молекулами, которые постоянно летают и сталкиваются друг с другом на скоростях в сотни километров в час. Но если температура приблизится к абсолютному нулю, молекулы могут прекратить свое хаотическое движение и вести себя как один коллективный объект – конденсат. Ранее ученые получали конденсат Бозе-Эйнштейна из ультрахолодных атомов, но создать его из молекул пока не удавалось.

Теперь экспериментаторы из Массачусетского технологического института под руководством Мартина Цвирляйна смогли успешно охладить молекулярный натриево-калиевый газ до температуры в 500 нанокельвин, то есть на половину миллионнной доли градуса выше абсолютного нуля.

Каждая молекула состоит из атомов, связанных друг с другом. Простейшая молекула из двух атомов напоминает по форме гантель. Из-за большого количества степеней свободы охлаждать молекулы напрямую гораздо сложнее, чем атомы.

Группа Цвирляйна обошла это препятствие: на первом этапе они охладили с помощью лазера облака отдельных атомов калия и натрия. Затем они «склеили» атомы друг с другом, используя магнитное поле, эффект, известный как «резонанс Фешбаха».

Возникающая при этом связь между атомами относительно слаба, чтобы приблизить атомы ближе друг к другу, создать более сильную связь и более стабильную молекулу, ученые подвергли свежесозданные молекулы NaK облучению двумя лазерами, чья разница частот точно соответствует разнице энергий между начальным состоянием молекулы с высокой энергией, и состоянием с наинизшей энергией.

С помощью этого метода группа Цвирляйна смогла опустить энергию молекул до наинизшего. Ранее похожим методом воспользовались ученые из университета Колорадо, но они охлаждали молекулы, состоящие из атомов калия и рубидия. Эти молекулы были химически активны и быстро распадались.

Цвирляйн и его коллеги работали с молекулами из натрия и калия, которые химически стабильны. Благодаря этому их молекулярный газ имел относительно долгое время жизни – около 2,5 секунды. В целом им удалось охладить газ до температур примерно в тысячу раз ниже, чем позволил бы метод прямого охлаждения «готовых» молекул.

По словам исследователей, они приблизились очень близко к температуре, при которой квантовая механика играет главную роль в движении молекул. Если им в следующих экспериментах удастся снизить температуру еще в 10 раз, «музыка начнется» — они смогут получить, например, экзотические сверхтекучие кристаллы, которые не будут испытывать трения.