В течение многих лет ученые искали пути, чтобы охладить молекулы до температуры ультрахолодных, в какой момент молекулы должны медленно ползти, позволяя ученым удалось точно контролировать их квантового поведения. Это может позволить исследователям использовать молекулы в сложные биты для квантовых вычислений, тюнинг отдельные молекулы, как крошечные ручки, чтобы выполнять несколько потоков вычислений одновременно.
Пока ученые супер-охладили атомы, на молекулы, которые являются более сложными в своем поведении и структуре, оказалось гораздо более сложной задачей.
Теперь физики из MIT нашли способ охладить молекулы лития натрия до 200 миллиардных долей Кельвина, лишь чуть выше абсолютного нуля. Они сделали так, применяя метод, называемый столкновительного охлаждения, в которую они погружены молекулы холодной лития натрия в облаке еще холоднее атомов натрия. В ультрахолодных атомов выступал в качестве хладоагента для охлаждения молекул еще больше.
Столкновительного охлаждения стандартная техника, используемая для охлаждения атомов с помощью других, атомы холоднее. И течение более чем десяти лет, исследователи попытались переохлаждаться ряд различных молекул с помощью столкновительного охлаждения, только чтобы найти, что, когда молекулы столкнулся с атомами, они обменялись энергию таким образом, что молекулы топились или уничтожены в процессе, называемого «плохого» столкновений.
В своих экспериментах исследователи из MIT обнаружили, что если натрия лития молекулами и атомами натрия были сделаны вращаться таким же образом, они смогли избежать самоуничтожения, а вместо этого занимаются «хорошие» столкновениях, где атомы забрали молекул энергии, в виде тепла. Команда использовала точного контроля магнитных полей и запутанная система лазеров для хореографии спина и вращательного движения молекул. В результате, атом-молекула смесь имеет высокое соотношение полезных и вредных столкновений и остыла от 2 microkelvins до 220 нанокельвинов.
«Столкновительного охлаждения была рабочая лошадка для охлаждения атомов», — добавляет Нобелевского лауреата Вольфганга Кеттерле, фонда Джона Д. Артур профессор физики в MIT. «Я не убежден, что наша схема будет работать, но так как мы не знаем точно, нам пришлось попробовать. Теперь мы знаем, что это работает для охлаждения молекул лития натрия. Будет ли она работать для других классов молекул еще предстоит увидеть».
Их выводы, опубликованные в журнале Nature, впервые ученые успешно использовали столкновительного охлаждения молекул до температуры nanokelvin.
Кеттерле в соавторы на бумаге ведущий автор Hyungmok сын, аспирант Гарвардского университета кафедра физики, наряду с Массачусетским Технологическим Институтом физики аспирант Ульяна парк, и Алан Джеймисон, профессор физики в Университете Ватерлоо и приглашенным профессором в Массачусетском технологическом институте научно-исследовательской лаборатории электроники.
Достижения сверхнизких температур
В прошлом, ученые обнаружили, что, когда они попытались охладить молекулы до ультрахолодных температурах, окружая их даже холоднее, атомы, частицы столкнулись такой, что атомы придали дополнительную энергию вращения молекул, отбрасывая ее из ловушки, или самоуничтожения все вместе в результате химических реакций. Исследователи Массачусетского технологического института задумывались ли молекулы и атомы, обладающие одинаковым спином, мог бы избежать этого эффекта и остаются ультрахолодных и стабильный результат. Они смотрели, чтобы проверить свою идею с литием натрия, «двухатомных» молекул этой группы экспериментов Кеттерле с регулярно, состоящий из одного лития и одного атома натрия.
«Молекулы лития натрия существенно отличаются от других молекул, люди старались,» говорит Джемисон. «Многие люди ожидали эти различия могли бы сделать охлаждение еще менее вероятно, чтобы работать. Тем не менее, у нас было такое чувство, что эти различия могут быть преимуществом, а не во вред».
Исследователи доработаны системы более 20 лазерных лучей и различных магнитных полей для улавливания и охлаждения атомов натрия и лития в вакуумной камере, около 2 microkelvins — температуре сын говорит, что является оптимальным для атомов связаны друг с другом как натрий, литий молекул.
Когда исследователи были в состоянии производить достаточное количество молекул, они светились лазерные лучи на определенных частотах и поляризациях контролировать квантовые состояния молекул и тщательно настроенный СВЧ поля, чтобы атомы вращаться точно так же, как молекулы. «Тогда мы делаем холодильнике холоднее и холоднее», — говорит сын, ссылаясь на атомы натрия, которые окружают облака новообразованной молекулы. «Мы понижаем силу захвата лазера, делая оптическую ловушку слабее и слабее, которое приносит температуру атомов натрия, и дополнительно охлаждает молекулы, до 200 миллиардных долей кельвина.»
Группа отметила, что молекулы остаются при этих температурах ультрахолодных до одной секунды. «В нашем мире, а второй-очень долго», — сказал Кеттерле. «Что вы хотите делать с этими молекул квантовые вычисления и изучения новых материалов, которые могут быть сделаны в малых долях секунды».
Если команда может сделать молекулы лития натрия должна быть примерно в пять раз холоднее, чем то, что они достигли, они достигли так называемого квантового режима дегенерат, где отдельные молекулы становятся неразличимы и их коллективное поведение определяется квантовой механики. Сын и его коллег есть некоторые идеи, как этого достигнуть, что потребует месяцев работы по оптимизации их установки, а также приобретение нового лазера для интеграции в их наладки.
«Наша работа приведет к дискуссии в нашем обществе почему столкновительного охлаждения работал для нас, но не для других,» сын говорит: «Возможно, у нас скоро будет прогнозы как другие молекулы может быть охлажден в эту сторону».
сделать разницу: спонсорские возможности
Ответить
Хотите присоединиться к обсуждению?Не стесняйтесь вносить свой вклад!