Охлаждение молекул лазерным излучением

22/01/2016
Существование «несвязывающих» электронов, не участвующих в образовании химической связи, позволяет создавать эффективные замкнутые циклы охлаждения, критически важные для допплеровской схемы охлаждения

Существование «несвязывающих» электронов, не участвующих в образовании химической связи, позволяет создавать эффективные замкнутые циклы охлаждения, критически важные для допплеровской схемы охлаждения

В Physical Review Letters принята к печати работа сотрудника ПИЯФ НИЦ КИ Т. А. Исаева в соавторстве с коллегой из Университета Марбурга Р. Бергером, в которой показана возможность применения допплеровского охлаждения для многоатомных молекул.

Наверное, самые холодные вещества, известные на сегодняшний день (в неэкзотической фазе) это ультрахолодные атомные газы. Рекордно низкая температура была достигнута в газе атомов Na в 2003 году - менее 10-9 Кельвина [1] (типичная температура ультрахолодных нейтронов, например, порядка 1 К). Большим достижением в области атомного охлаждения стало получение Бозе-Эйнштейновского конденсата атомов Rb и Na в 1995 году (удостоенное Нобелевской премии в 2001 году [2]).

С того же времени делаются попытки охладить молекулы до сабкельвиновских температур (ниже 1 К). Достижение подобных температур сделало бы возможным захват молекул в так называемые магнито-оптические ловушки, что позволило бы, в том числе, на несколько порядков поднять точность традиционной молекулярной спектроскопии. Определенные успехи в получении холодных молекул были достигнуты, однако либо для достаточно экзотических молекул (типа RbCs, CsLi и т.д.), либо для достаточно легких молекул с относительно большим дипольным моментом (OH, CN и т.д.). Проблема в том, что в случае с молекулами отсутствовал высокоэффективный, простой и надежный метод охлаждения и удержания, тогда как для атомов такой метод был известен с 70-х годов XX века – это так называемый метод допплеровского охлаждения. Примерно с того же времени считалось, что метод допплеровского охлаждения не применим к молекулам в принципе, в первую очередь из-за сложной структуры молекулярных электронно-вращательных уровней. Однако в 2004 году было замечено, что существуют двухатомные молекулы, для которых применение такого метода в принципе возможно, и в 2010 году метод допплеровского охлаждения был реализован на молекуле SrF [3]. В силу простоты, надежности и “наработанности данного метода (что разумеется напрямую связано с достоинствами аналогичного метода для атомов), он сразу привлек внимание спектроскопистов, и в настоящее время уже используется для охлаждения/манипулирования молекулами YO и CaF. Кроме того, разными группами планируется применение этого метода к молекулам YbF, MgF и BaH.

Что касается многоатомных молекул, то до недавнего времени их охлаждение было возможно с достаточной эффективностью либо методом штарковского замедления (для чего, однако, требуются легкие молекулы с достаточно большим дипольным моментом), либо методом охлаждения в газовой ячейке (в этом случае трудно охладить молекулы до температуры заметно ниже одного Кельвина). Однако в этом году в работе [4] (принята в Phys.Rev.Letters), научный сотрудник ПИЯФ НИЦ КИ Т. А. Исаев в соавторстве с коллегой из Университета Марбурга Р. Бергером показали, что и для многоатомных молекул также возможно применение допплеровского охлаждения (см. Рис. 1). Установление данного факта может потенциально иметь очень значительное влияние на исследования в таких нетрадиционных спектроскопических областях как поиск темной материи, исследование контролируемых химических реакций, создание квантовых симуляторов и т. д. Как выяснилось, особенно хорошо метод допплеровского охлаждения должен работать для молекул, содержащих тяжелые атомы, то есть как раз для того класса молекул, которые особенно трудно охладить с достаточной эффективностью другими методами. Стоит отметить, что ПИЯФ НИЦ КИ имеет уникальные преимущества для проведения экспериментов по охлаждению таких молекул, связанные, с одной стороны, с наличием в Институте лицензии на работу с радиоактивными изотопами (кстати, именно в молекулах с такими атомами усилен ряд интересных эффектов, связанных с нарушениями фундаментальных симметрий), а с другой стороны, с наличием сильной молекулярной спектроскопической школы в Санкт-Петербурге (в частности в СПбГУ). В настоящее время обсуждается возможность по созданию коллаборации между ПИЯФ НИЦ КИ и СПбГУ по проведению данных экспериментов.

Литература:

  1. http://news.mit.edu/2003/cooling
  2. http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2001/
  3. http://www.nature.com/nature/journal/v467/n7317/abs/nature09443.html
  4. http://arxiv.org/abs/1504.08326

Адрес: Россия, 188300, Ленинградская обл., г.Гатчина, мкр. Орлова роща, д. 1,
ФГБУ «ПИЯФ»

Тел.: +7(813-71) 46025, +7(813-71) 46047,
Факс: +7(813-71) 46047, +7(813-71) 36025

E-mail: dir@pnpi.nrcki.ru

Последнее обновление: 22.01.2016 - Пт  12:38
вебмастер: webadm@pnpi.nw.ru