Облако молекул впервые превратили в конденсат Бозе-Эйнштейна

Американские ученые впервые создали молекулярную версию конденсата Бозе — Эйнштейна — набора из квантовых объектов, которые ведут себя как гигантский атом. Об этом сообщает ТАСС, ссылаясь на статью с описанием эксперимента, опубликованную научным журналом Nature.

«Наши коллеги десятилетиями пытались решить эту задачу. Я надеюсь, что благодаря созданию молекулярного конденсата Бозе — Эйнштейна в квантовой химии появится много новых направлений. Наша работа показывает, что в этой области ученых ждет множество новых открытий», — рассказал один из авторов статьи профессор Чикагского университета Цзинь Чжэн.

Конденсат Бозе — Эйнштейна представляет собой экзотическую квантовую форму материи, которая по некоторым свойствам похожа на газ и жидкость. Она состоит из множества атомов, охлажденных почти до абсолютного нуля. Это облако частиц ведет себя как один гигантский атом, подчиняясь законам квантовой физики. Это делает конденсат Бозе — Эйнштейна привлекательным материалом для создания квантовых компьютеров, сенсоров и решения множества других задач.

За последние годы исследователи создали сотни вариаций конденсата Бозе — Эйнштейна из самых разных типов атомов. Такие опыты проводили даже в невесомости — на борту МКС. Физиков уже давно интересует, можно ли создать схожую квантовую форму материи, если использовать в качестве ее составляющих не одиночные атомы, а полноценные молекулы.

«Атомы — простые сферические объекты, а молекулы могут вибрировать, вращаться и проявлять магнитные свойства. Это делает их полезнее с практической точки зрения и при этом осложняет контроль над их поведением», — пояснил профессор.

Например, ученые не могли охладить даже самые простые молекулы до температуры, близкой к абсолютному нулю, а это критически важно для создания конденсата Бозе — Эйнштейна на их основе. Профессор Цзинь Чжэн и его коллеги нашли для этой проблемы остроумное решение: они создали молекулы уже после того, как охладили составляющие их атомы.

Раньше считалось, что проводить подобные химические реакции невозможно. Однако два года назад химики из Гарварда опровергли это: они создали специальную оптическую ловушку, которая может охлаждать атомы и заставлять их соединяться друг с другом. Чтобы продемонстрировать ее работоспособность, ученые провели самую медленную химическую реакцию на Земле, соединив атомы рубидия и калия при температуре в 500 нанокельвинов.

Цзинь Чжэн и его коллеги создали еще одну такую ловушку, с помощью которой атомы цезия можно охлаждать до еще более низкой температуры — не более 10 нанокельвинов. Эксперименты показали, что в таком состоянии одиночные атомы цезия можно соединить друг с другом и превращать в молекулы, если создать внутри ловушки атомный конденсат Бозе — Эйнштейна и поместить их в магнитное поле определенной конфигурации.

В результате небольшая часть атомов цезия, около 15%, столкнется друг с другом. В итоге сформируются молекулы цезия и одновременно они объединятся в новую форму конденсата Бозе — Эйнштейна. То, что последнее произошло, ученые выяснили по тому, что все молекулы цезия находились в одинаковом квантовом состоянии, вибрировали на одной и той же частоте и проявляли другие типичные свойства рукотворных атомов.

Дальнейшее изучение свойств этой экзотической квантовой формы материи, как надеются ученые, поможет получить ответы на многие важные вопросы. В частности, ученые предполагают, что опыты с молекулярным конденсатом Бозе — Эйнштейна помогут им узнать секрет устройства сверхпроводников и понять, почему у гелия-3 есть сразу две сверхтекучих формы.