Физики из лаборатории Себастьяна Вилла в Колумбийском университете создали новое состояние материи, называемое бозе-эйнштейновским конденсатом (БЭК), охладив молекулы до беспрецедентно низких температур. Исследование, проведенное совместно с Тейсом Карманом из университета Радбауд в Нидерландах, опубликовано в журнале Nature .
БЭК, созданный из молекул натрий-цезий, был охлажден до пяти нанокельвинов, что составляет примерно -459,66°F. Этот квантовый конденсат стабилен в течение двух секунд – это значительное достижение для ультрахолодной физики. Полярные молекулы, как и молекулы воды, обладают положительным и отрицательным зарядом, что способствует долгосрочным взаимодействиям, интересным для физиков.
Исследования, проводимые в лаборатории Вилла с использованием молекулярных БЭК, направлены на изучение новых видов сверхтекучести – состояния материи, которое течет без трения. Ученые также надеются использовать БЭК для создания симуляторов, способных воссоздавать квантовые свойства более сложных материалов, таких как твердые кристаллы.
“Молекулярные бозе-эйнштейновские конденсаты открывают совершенно новые области исследований, от понимания фундаментальной физики до развития мощных квантовых симуляций”, – отметил Вилл. “Это значительное достижение, но оно только начало”.
Микроволны помогают достичь рекордно низких температур
Микроволны, используемые в экспериментах Вилла, имеют долгую историю в Колумбийском университете. В 1930-х годах физик Исидор Айзек Раби, лауреат Нобелевской премии, проводил пионерские исследования микроволн, что привело к разработке радиолокационных систем.
“Раби был одним из первых, кто контролировал квантовые состояния молекул и стал пионером в исследовании микроволн”, – сказал Вилл. “Наша работа продолжает эту 90-летнюю традицию”.
Хотя микроволны обычно ассоциируются с нагревом пищи, они также могут способствовать охлаждению. Молекулы имеют тенденцию сталкиваться друг с другом и образовывать более крупные комплексы, которые исчезают из образца. Микроволны создают вокруг каждой молекулы “щиты”, предотвращающие столкновения. Эта идея была предложена Карманом, их сотрудником в Нидерландах.
Микроволновое экранирование позволяет удалять самые горячие молекулы, оставляя более холодные. Команда добавила второе микроволновое поле, что сделало охлаждение более эффективным и позволило натрий-цезию достичь состояния БЭК – цели, которую лаборатория Вилла преследовала с момента её основания в 2018 году.
“Это стало замечательным завершением для меня”, – сказал Никколо Бигальи, один из авторов исследования, который недавно защитил докторскую диссертацию. “Мы начали с нуля и достигли потрясающих результатов”.
Второе микроволновое поле также позволяет манипулировать ориентацией молекул, контролируя их взаимодействия. “Контролируя эти дипольные взаимодействия, мы надеемся создать новые квантовые состояния и фазы материи”, – отметил Ян Стивенсон, один из авторов и постдокторант Колумбийского университета.
Новые горизонты квантовой физики
Крупный специалист в области ультрахолодной физики из Боулдера отметил, что результаты исследований являются прекрасным примером науки. “Эта работа окажет важное влияние на несколько научных областей, включая изучение квантовой химии и исследование сильно коррелированных квантовых материалов”, – прокомментировал он.
Коллектив из Колумбии рад, что теоретическое описание взаимодействий между молекулами подтверждено экспериментально. “Мы действительно хорошо понимаем взаимодействия в этой системе, что критически важно для следующих шагов, таких как изучение дипольной многотельной физики”, – сказал Карман. “Мы разработали схемы для контроля взаимодействий, протестировали их в теории и реализовали в эксперименте. Это было удивительно – видеть, как идеи микроволнового ‘экранирования’ реализуются в лаборатории”.
Стабильность молекулярных БЭК, достигающая двух секунд, открывает новые возможности для изучения квантовой физики. Один из возможных экспериментов включает создание искусственных кристаллов с использованием БЭК в оптической решетке из лазеров. Это позволит проводить мощные квантовые симуляции, имитирующие взаимодействия в природных кристаллах.
“Молекулярный БЭК добавит новые аспекты в исследования”, – отметил Вилл.
Физики планируют использовать БЭК в двумерных системах, что может привести к появлению новой физики. “Когда переходишь от трех измерений к двум, всегда ожидаются новые явления”, – сказал Вэйцзюнь Юань, один из авторов исследования. Исследования двумерных материалов являются ключевой областью в Колумбийском университете.
“Кажется, что перед нами открывается целый новый мир возможностей”, – заключил Вилл.