Недавно группе ученых-физиков из Йельского университета удалось охладить молекулы до самой низкой температуры, что можно считать своего рода рекордом в истории науки. Молекулы, которые использовали ученые, это молекулы монофторида стронция (strontium monofluoride, SrF), а температура, до которой они были охлаждены, составила всего 2.5 тысячных градуса выше абсолютного нуля. Достижение столь низкой температуры является важной вехой в современной физике, которая позволит ученым проводить исследования в области квантовой химии, проверку основных теорий физики элементарных частиц и многое другое.

«Теперь мы получили возможность изучать химические реакции, которые протекают только при температурах, близких к абсолютному нолю» – рассказывает Дэйв Демий (Dave DeMille), профессор физики и руководитель данного проекта, – «Кроме этого, мы получили шанс узнать много нового о фундаментальных химических механизмах и физических процессах».

Для охлаждения молекул SrF ученые использовали метод удержания молекулы в магнитно-оптической ловушке (Magneto-Optical Trapping MOT), достаточно распространенный в среде физиков метод, который ранее использовался для охлаждения отдельных атомов.

Основу этого метода составляют специальные лазеры, свет которых используется одновременно для охлаждения и удерживания частиц. Но, из-за сложных колебательных и вращательных процессов, которыми отличаются молекулы от простых атомом, MOT-метод не очень подходит для улавливания отдельных молекул.

Тем не менее, группа Дэйва Демия создала сложную установку в одной из лабораторий, располагающихся в подвальном помещении университета.

Эта установка является тщательно продуманной конструкцией из компьютеров, электрических деталей, зеркал, криогенных охладителей, перепутанных паутиной проводов. В составе этой установки находятся 12 лазеров, которые излучают свет определенной длины волны, точность которой поддерживается до девятого знака после запятой.

Установка действует следующим образом – специальное устройство впрыскивает в рабочее пространство облако атомов SrF, предварительно охлажденных до криогенной температуры. При помощи электрических и магнитных полей это облако фокусируется в луч молекул, которые начинают замедляться при помощи встречного луча лазерного света.

«Это походит на попытку замедления шара для боулинга ударами шариков для пинг-понга» – рассказывает Дэйв Демий, – «Для того, чтобы добиться успеха при таком подходе, требуется делать это все очень быстро и очень очень много раз».

После замедления молекулы SrF попадают в магнитное поле определенной конфигурации. Центральную область, где и находятся молекулы, с трех перпендикулярных направлений пронизывают лучи света лазеров. Комбинация магнитного поля и трех лучей лазерного света и является той ловушкой, которая удерживает молекулы SrF на одном месте.

«Законы квантовой механики позволяют нам получить силы, которые удерживают молекулы, находящиеся практически в идеальном вакууме» – рассказывает Дэйв Демий, – «И точная регулировка нескольких параметров лучей света позволяет нам охлаждать эти молекулы до немыслимо низких температур».

Ученые выбрали молекулу монофторида стронция из-за ее простой структуры, ведь у нее имеется лишь один электрон, который вращается по круговой орбите вокруг всей молекулы.

А для охлаждения более сложных молекул может потребоваться более сложные и дорогостоящие установки, но это уже будет следующими шагами, которые намерены предпринять ученые в недалеком будущем.