Ультрахолодные молекулы натрийкалия были получены физиками MIT

Ультрахолодные молекулы натрийкалия были получены физиками Массачусетского технологического института (MIT). Сообщает официальный сайт учреждения.

Воздух вокруг нас наполнен хаотично движущимися молекулами. При нормальных условиях молекулы движутся со скоростью до сотен километров в час и постоянно сталкиваются друг с другом. В теории рассчитано, что при понижении температур, движение молекул замедляется и при сверхнизких температурах должно прекратиться полностью. Таким образом, молекулы перестанут сталкиваться друг с другом и вещества приобретут упорядочненную структуру. В естественных условиях таких низких температур не существует, и соответственно, проверить эту гипотезу возможно только в лабораторных условиях, что также технически непросто.

Группа физиков из Массачусетского технологического института во главе с профессором Мартином Цвирляйном провела эксперимент, целью которого было изучение поведения веществ при сверхнизких температурах на примере молекул натрия и калия. Стоит отметить, что при нормальных условиях молекула NaK не может образовываться и существовать, так как эти химические элементы отдают электроны и образовывают соединения с более электроотрицательными элементами (примером природных соединений  натрия служит поваренная соль (NaCl), калия – калийная соль (KCl).

Теперь физики-экспериментаторы из Массачусетского технологического института успешно охладили молекулы калия натрия (NaK) в газообразном состоянии до температуры 500 нанокельвинов: до температуры чуть выше абсолютного нуля (прим. 0⁰K = -273⁰C) и более миллиона раз холоднее, чем межзвездном пространстве. Исследователи обнаружили, что ультрахолодные молекулы были относительно более долгоживущими и стабильными. Такие молекулы также имеют очень сильные дипольные моменты — сильные диспропорции в электрическом заряде внутри молекул, которые обеспечивают (подобно магниту) притяжение между молекулами на больших расстояниях.

Мартин Цвирляйн, профессор физики в Массачусетском технологическом институте и главный исследователь в научно-исследовательской лаборатории Массачусетского технологического института электроники, говорит, что в то время как молекулы, как правило, полны энергии, чтобы вибрировать, вращаться и двигаться в пространстве в лихорадочном темпе, ультрахолодные же молекулы были «эффективно успокоены»: имели низкие скорости движения частиц (их охлаждают до средних скоростей — сантиметров в секунду) и подготовлены к переходу в состояния с абсолютно низким колебательным и вращательным движением.

Мы очень близки к температуре, при которой квантовая механика играет большую роль в движении молекул. Так что эти молекулы будут больше «бегать, как бильярдные шары», но двигаться, как квантово-механические волны материи. И из ультрахолодных молекул, можно получить огромное разнообразие различных состояний материи, как сверхтекучих кристаллов, которые подобны кристаллическим структурам по строению, но при этом совершенно отсутствует трение. Пока такое явление не наблюдалось, но это можно предсказать теоретически. Возможно, мы не далеко от того момента, когда сможем наблюдать эти эффекты, так что мы все рады.

— говорит Мартин Цвирляйн. 

Мартин Цвирляйн наряду с аспирантом Джи Ву Парком и доктором Себастьяном Уиллом являются членами МИТ-Гарвардского Центра ультрахолодных атомов.  Они опубликовали свои результаты в журнале Physical Review Letters (DOI: dx.doi.org/0.1103/PhysRevLett.114.205302).

«Откачивание 7500 градусов по Кельвину»

Каждая молекула состоит из отдельных атомов, связанных в молекулярную структуру химическими связями. Простейшая молекула, напоминающая по форме гантелю, состоит из двух атомов, соединенных с помощью электромагнитных сил. Группа профессора Цвирляйна стремились создать ультрахолодные молекул натрия и калия, каждая из которых состоит из одного атома натрия и калия.

Из-за движения атомов в молекуле (вибрация, вращения) охладить непосредственно готовые молекулы технически значительно сложнее, чем отдельные атомы. В качестве первого шага, команда профессора Цвирляйна используя лазеры и испарительне охлаждение, охладили облака отдельных атомов натрия и калия почти до абсолютного нуля. Затем они, по существу, просто «склеили» атомы Na и K вместе, используя магнитное поле чтобы инициировать в искусственной молекуле NaK связей между атомами по механизму, известному как резонанс Фешбаха. В результате были получены ультрахолодные молекулы NaK.

Это можно сравнить с настройкой радио, чтобы быть в резонансе с какой-то станции. Атомы натрия и калия, приобретая одинаковую частоту колебаний, начинают вибрировать с удовольствием вместе, и образуют единую молекулу.

— поясняет профессор Цвирляйн. 

В результате образовавшаяся связь является относительно слабой, образуя то, что Цвирляйн называет «пушистой» ( “fluffy”) молекулой , которая все еще немного вибрирует, так как атомы в ней соединены длинными «разреженными» связями. Для того, чтобы создать более стабильную молекулу с более прочными связями, команда профессора Цвирляйна использовала методику использовавшуюся  в 2008 году группой ученых из Университета Колорадо для рубидия калия (КRb), и в Университете Инсбрука — для неполярного цезия (Се₂).

По этой методике, вновь созданные молекулы NaK подвергались воздействию пары лазеров, частоты которых точно соответствовали максимальной и минимальной частоте колебаний молекул. Путем поглощения «низкоэнергетического лазера», и излучения на «высокоэнергетический» лазерный луч энергии, молекулы NaK «отдали» все свою свободную колебательную энергию, перейдя в максимально низкоэнергетическое состояние, характеризующееся также сверхнизкой температурой. По словам профессора Цвирляйна, таким образом можно запросто «откачать» 7500 градусов K.

Химическая стабильность ультрахолодных молекул

В их более ранней работе, группа ученых университета Колорадо наблюдала существенный недостаток их суперхолодных молекул рубидия калия. Они были химически активными, и, по сути, распадались при столкновении с другими молекулами.  Группа профессора Цвирляйна выбрала для создания ультрахолодных молекул атомы натрия и калия, и эта молекула является химически более стабильной и, естественно, устойчивой против реактивных молекулярных столкновений.

Когда две молекулы рубидия калия сталкиваются, то более энергетически выгодно для двух атомов калия и двух атомов рубидия объединиться в пары. С нашей молекулой натрийкалия этого не происходит.

— говорит профессор Цвирляйн.

В своих экспериментах, Парк, Уилл, и Цвирляйн заметили, что их молекулярный газ действительно более стабильный, и имеет относительно «длительный срок службы», продолжительностью около 2,5 секунд.

В случаях, когда молекулы химически реактивны, бывает просто недостаточно времени, чтобы изучить их в объемных образцах: они распадаются, прежде чем они могут быть дополнительно охлаждены, чтобы наблюдать интересные состояния. В нашем случае, мы надеемся, что наша молекула имеет достаточную длительность жизни, чтобы увидеть эти новые состояния материи.

— поясняет профессор Цвирляйн.

Впервые охладив атомы до сверхнизких температур и затем, получив из них молекулы, группа ученых смогла получить газ намного холоднее, чем температуры, которые могут быть достигнуты путем прямых методов охлаждения. В будущем профессор Цвирляйн планирует достичь еще более низких температур охлаждения с тем, чтобы все же увидеть своими глазами необычное состояние материи при ультранизких температурах.