Учёные Института Фрица Габера добились значительного прорыва в области сверххолодной физики: они смогли захватить стабильную молекулу, называемую алюминиевым фторидом (AlF), при помощи лазеров, работающих в глубокоультрафиолетовом диапазоне. Этот важный шаг, подробно описанный в статье, принятой к публикации в Physical Review Letters, открывает путь для впечатляющих достижений в области высокоточной спектроскопии и квантовых симуляций с молекулами.
Сверххолодная физика: окно в квантовую механику
Охлаждение вещества до температур, близких к абсолютному нулю (0 К или -273,15°C), раскрывает тонкие движения квантовой механики, которые управляют поведением частиц на их самом фундаментальном уровне. Представьте себе приближение к самым крошечным строительным блокам Вселенной, открывая скрытые свойства и взаимодействия. Этот сверххолодный режим позволяет учёным наблюдать явления, которые обычно маскируются тепловым шумом, предоставляя бесценные сведения о работе квантового мира.
Ключевые примеры включают открытие сверхпроводимости ртути при экстремально низких температурах и необъяснимое поведение молекулярного водорода с различными «спиновыми» состояниями (орто- и парагидроген). Эти прорывы заставили физиков переосмыслить свои классические модели физики, подтолкнув их к разработке квантовой механики.
Лазерное охлаждение: революция в сверххолодной физике
Изобретение лазера совершило революцию в этой области, предоставив способ охлаждать атомы и молекулы с помощью света. В то время как отдельные фотоны несут мизерные количества энергии, накопительный эффект бесчисленных фотонов, взаимодействующих с веществом со временем, приводит к существенному охлаждению. С помощью тщательно настроенных лазеров учёные могут достичь температур, в тысячу или даже в миллион раз превышающих абсолютный нуль — фактически войдя в сверххолодную область.
Магнито-оптическая ловушка: мощный инструмент для сверххолодных атомов
На протяжении почти четырех десятилетий магнито-оптические ловушки (МОЛ) являются незаменимыми инструментами в области сверххолодной физики. Эти ловушки объединяют лазерные лучи с точно калиброванными магнитными полями для захвата и охлаждения нейтральных атомов до невероятно низких температур, около одной тысячной степени выше абсолютного нуля.
Эта техника дала переломные результаты: она позволяет создавать оптические атомные часы с несравненной точностью, стимулирует разработку прототипов квантовых вычислений и симуляторов на основе атомов и даже открывает новые состояния материи, которые противоречат классическим ожиданиям.
Проблема сверххолодных молекул: за гранью атомов
Если лазерное охлаждение и захват отдельных атомов в МОЛ хорошо изучены, то включение молекул в это сверххолодное царство представляет собой гораздо большую проблему. Молекулы обладают более сложными структурами энергии, чем одиночные атомы, что делает их значительно труднее контролировать и охлаждать лазерами.
До настоящего времени только несколько реактивных молекул с неподвоенными электронами были успешно захвачены в МОЛ. Эти молекулы по своей природе неустойчивы и склонны к химическим реакциям, что ограничивает их применение в высокоточных измерениях и квантовых симуляциях.
AlF: триумфальный шаг вперед для сверххолодных молекул
Команда Института Фрица Габера преодолела эту преграду, захватив алюминиевый фторид (AlF) — химически стабильную молекулу — в МОЛ. Это достижение является переломным моментом и открывает новые возможности для сверххолодной молекулярной физики.
Почему AlF так особенный?
- Химическая стабильность: В отличие от других лазерно охлаждаемых молекул, AlF обладает исключительно прочным химическим связью и проявляет исключительную устойчивость к химическим реакциям при сверххолодных температурах. Эта стабильность делает его идеальным для экспериментов длительного действия без риска нежелательных превращений.
- Ловушка в глубоком ультрафиолете: Охлаждение AlF потребовало разработки лазеров, работающих в диапазоне глубокого ультрафиолетового излучения (близко к 227,5 нм), что расширяет границы лазерной технологии. Это достижение не только демонстрирует технические возможности, но и устанавливает прецедент для захвата других молекул, требующих экстремальных длин волн.
- Многоуровневый контроль: Учёным удалось уловить AlF в разных ротационных квантовых уровнях — это достижение не имело аналогов в предыдущих экспериментах с лазерно охлажденными молекулами. Такая гибкость открывает возможности для изучения различных молекулярных поведенческих реакций и их более точного манипулирования.
Этот прорыв явился результатом многолетней кропотливой работы: от изучения спектроскопических свойств AlF до разработки лазеров глубокого ультрафиолета и оптимизации условий ловушки. Успех подчеркивает силу совместных научных исследований и преданности коллектива Отдела молекулярной физики Института Фрица Габера.
В будущем лазерно охлажденный AlF обещает революционизировать высокоточные измерения свойств молекул, осуществить сложные квантовые симуляции с молекулами и даже исследовать сверххолодные температуры глубже, чем это возможно при помощи современных техник, используя метастабильное электронное состояние AlF. Это открывает захватывающие новые главы в нашем понимании квантового мира.
