Сверххолодные молекулы есть молекулы, которые охлаждены до температур, близких к абсолютному нулю -273,15 С (0 К). При таких температурах молекулы входят в чистые и определенные квантовые состояния, которые легче изучать,контролировать и измерять. Для сравнения температура фонового излучения в космосе составляет 2,7К или на поверхности некоторых планет и спутников температура опускается до 30К. Сверххолодные молекулы представляют собой перспективный фронт квантовой физики. Он позволяет изучать и моделировать сложные физическо-химические процессы и образовывать новые фазы вещества. Сверххолодные молекулы создаются и охлаждаются с помощью разных техник, таких как лазерное и магнитное охлаждение, микроволновая и оптическая манипуляции.
При моделировании и экспериментальном исследовании сложных молекул, состоящих из множества атомов квантовая физика сталкивается с большими сложностями. Проблема в том, что они имеют много степеней свободы, и молекулы находятся в смешанных и хаотических квантовых состояниях, которые трудно контролировать и измерять.
Один из способов решить эту проблему есть охлаждение молекулы до сверхнизких температур, близких к абсолютному нулю -273,15 С. При таких температурах молекулы становятся почти неподвижными и входят в чистые и определенные квантовые состояния, которыми легче манипулировать и наблюдать.
Недавно группа исследователей из Германии и Китая достигла нового рекорда в охлаждении молекул. Они создали молекулы, состоящие из четырех атомов : двух атомов калия и двух атомов натрия (NaK)2, при температуре 134 миллиардных долей кельвина. Это самые крупные молекулы, которые когда-либо достигали такой сверхнизкой температуры. Исследователи использовали комбинацию разных техник. Сначала ученые создали молекулы из двух атомов : одного атома натрия и одного атома калия, и охладили их до температуры 97 миллиардных долей кельвина с помощью магнитного и лазерного охлаждения. Затем они соединили эти молекулы парами с помощью микроволновых полей, которые действовали как клей для молекул.
В последние годы исследователи научились синтезировать молекулы из атомов разных элементов, таких как литий, натрий, калий, рубидий, цезий и охлаждать их до температур порядка миллионных и миллиардных долей кельвина.
Молекулы из четырех атомов представляют собой простейшую модель для изучения физико-химических реакций, которые происходят между молекулами. При сверхнизких температурах эти реакции могут быть контролируемыми и наблюдаемыми с высокой точностью. Кроме того, молекулы из четырех атомов могут быть использованы для создания новых фаз квантового вещества, таких как квантовые жидкости и кристаллы, которые имеют необычные свойства: сверхтекучесть и сверхпроводимость.
Применение сверххолодных молекул
- Изучение и освоение новых технологий квантовой физики. Новые методы позволяют наблюдать и контролировать физико-химические реакции, квантовые фазовые переходы, квантовую интерференцию на молекулярном уровне. Когда параметры электрического поля достигают некоторого критического значения, то небольшое изменение его силы может привести к явлению, называемому полевым резонансом. В результате взаимодействие между молекулами резко изменяется, что позволяет исследователям изменять форму и размер сверххолодных молекул. Полевой резонанс есть явление, в котором квантовый объект при взаимодействии с внешним электромагнитным полем настраивается на его частоту.
- Сверххолодные молекулы (NaK)2 имеют уникальную особенность (р-волновую симметрию), связанную с формой волновой функции для сверхпроводников. Эта особенность играет революционную роль в реализации топологических квантовых материалов или для создания отказоустойчивых квантовых компьютеров, симуляторов и сенсоров. Сверххолодные молекулы могут служить носителями квантовой информации. И взаимодействовать с другими квановыми системами, такими как атомы, ионы и свет.
- Тестирование фундаментальных квантовых законов природы. Проверить существование электрического дипольного момента электрона, нарушение симметрии СР и другие эффекты, которые могут свидетельствовать о новой квантовой природе за пределами существующей модели. Симметрия СР есть симметрия, которая означает, что законы физики не меняются, если одновременно поменять знак заряда (симметрия С) и отразить пространство в зеркале (симметрия Р). Если симметрия СР соблюдается, то частицы и античастицы ведут себя одинаково при обращении времени. В 1964 году было обнаружено, что СР симметрия нарушается в слабых взаимодействиях, связанных с кварками.
Сегодня сверххолодные молекулы есть революционный фронт квантовой физики, который предлагает много возможностей для исследований и инноваций. Ученые продолжают работать над созданием и охлаждением молекул из большего числа атомов разных элементов, а также над изучением их поведения и свойств.