Физики охладили полярные молекулы до 5 нК и создали состояние материи, в котором процессами управляет квантовая механика. Исследователи из Колумбийского университета создали из молекул уникальное квантовое состояние материи — конденсат Бозе — Эйнштейна (БЭК). Молекулы, охлажденные до температуры 5 нК — всего на пять миллиардных долей градуса выше абсолютного нуля — оставались в пятом состоянии материи в течение поразительно долгих двух секунд.

В экспериментах физики работали с натрием-цезием. Как и у воды, у этих молекул положительный и отрицательный заряд распределен неравномерно, то есть они полярные. Несбалансированное распределение электрического заряда облегчает дальнодействующие взаимодействия, которые создают наиболее интересную физику.

Охлаждение частиц до ультрахолодных состояний, в которых начинают доминировать квантовые эффекты — чрезвычайно сложная задача. В прошлом году физики из Колумбийского университета уже сообщали о создании ультрахолодного газа, близкого к БЭК. Используя комбинацию лазерного охлаждения, магнитных манипуляций и микроволнового излучения, они достигли температуры 36 нК.

Сложная установка, использующая многочисленные манипуляции для охлаждения частиц до ультранизких температур. Фото: Columbia University

Основная идея используемого метода — микроволновый щит. Микроволны создают вокруг молекул экран, который предотвращает их столкновения. Удерживаемые на месте молекулы можно подвергнуть испарительному охлаждению, объясняют физики. Этот процесс аналогичен обдуванию горячей чашки кофе: после удаления верхнего слоя «горячих» молекул оставшиеся охлаждаются до более низкой температуры.

Эту технологию физики использовали в прошлых экспериментах, но не смогли преодолеть границу пятого состояния материи для молекул. В новом исследовании они добавили еще одно микроволновое поле, чтобы более жестко зафиксировать молекулы и предотвратить их слипание при столкновении. Результатом стала рекордно низкая температура.

БЭК называют пятым состоянием вещества наряду с твердыми телами, жидкостями, газами и плазмой. Еще в 20-е годы прошлого века Шатьендранат Бозе и Альберт Эйнштейн предсказали, что группа частиц, охлажденная до почти полной неподвижности, объединится в одну с общими свойствами и поведением, диктуемыми законами квантовой механики. Но до сих пор исследователям удавалось получать БЭК, состоящий только из атомов, достаточно простых частиц. Формирование первого конденсата из полярных молекул, открывает более интересную физику.

Ученые планируют исследовать различные квантовые явления, предсказанные теоретически, например, новые типы сверхтекучести. Они также надеются превратить БЭК в симуляторы, которые воссоздадут квантовые свойства более сложных материалов, таких, например, как твердые кристаллы.