Физики из Массачусетского технологического института провели эксперимент по охлаждению соединения натрия и калия (²³Na⁴⁰K) до сверхнизкой температуры 500 нанокельвинов (0,0000005°K). В рамках эксперимента удалось проверить, как ведут себя молекулы при температуре около абсолютного нуля.

Учёные знали, что на сверхнизких температурах вещество кардинально изменит свои свойства, превратившись в фермионный конденсат. Вместо хаотического движения молекул с постоянными столкновениями вещество ведёт себя как единое тело, при этом начнут проявляться квантовые эффекты. Подобные экзотические состояния вещества не встречаются в окружающем мире.

Для достижения такой температуры физики сначала охладили облако атомов натрия и калия с помощью лазеров и охлаждения испарением. Затем применили магнитное поле, чтобы атомы натрия и калия соединились в молекулы — техника, известная как резонанс Фешбаха, когда атомы начинают «вибрировать» в резонансе на одной частоте и, в конце концов, соединяются в молекулы. Сформированные связи атомов всё ещё относительно слабые, и чтобы их укрепить физики использовали относительно новый метод, впервые описанный коллегами в 2008 году, когда молекулы облучают двумя лазерами, частота которых в точности соответствует разнице энергии между изначальным состоянием молекулы и её максимально возможным низкоэнергетическим колебательным состоянием. Взаимодействуя с этими двумя лазерами молекулы теряют всю возможную колебательную энергию, охлаждаясь ещё сильнее.

Эксперимент показал, что охлаждённые молекулы относительно стабильны: газ сохранял своё состояние около 2,5 секунды. Молекулы избегают столкновений друг с другом, проявляя сильные дипольные моменты, то есть сильные дисбалансы в величине электрического заряда между молекулами, которые воздействуют друг на друга на больших расстояниях.

В таком состоянии молекулы проявили исключительно малую подвижность. Если в обычном состоянии они полны энергии и активно перемещаются в пространстве, то на 500 нанокельвинах средняя скорость молекул составила несколько сантиметров в секунду.

«Мы очень близки к температуре, на которой квантовая механика играет значительную роль в движении молекул, — говорит Мартин Цвирляйн (Martin Zwierlein), профессор физики Массачусетского технологического института и ведущий исследователь научно-исследовательской лаборатории электроники MIT. — Так что эти молекулы не будут носиться вокруг как бильярдные шары, а будут двигаться как волны квантово-механического тела. И с ультрахолодными молекулами можно получить различные состояния вещества, как сверхтекучие кристаллы, в которых нет трения, что исключительно странно. Этого ещё никто не наблюдал, но эффект предсказан в теории. Возможно, мы недалеко от того, чтобы увидеть такие эффекты, так что все очень взволнованы».

Чтобы увидеть экзотические состояния вещества, считают учёные, нужно охладить молекулы ещё примерно в десять раз, то есть до 50 нанокельвинов.

Результаты эксперимента Центра ультрахолодных атомов при Массачусетском технологическом институте и Гарвардском университете (MIT-Harvard Center of Ultracold Atoms) опубликованы в журнале «Physical Review Letters».