Исследователи из Имперского колледжа в Лондоне (Imperial College London) разработали и опробовали новую технологию охлаждения, в которой используется комбинация магнитных полей и лазерного света. Во время экспериментов магнитное поле удерживало в ловушке молекулу монофторида кальция, а свет нескольких лазеров использовался для охлаждения этой молекулы до температуры в 50 микрокельвинов, 50 миллионных долей градуса выше точки абсолютного нуля (-273.15 градуса Цельсия).

Отметим, что новая технология является далеко не первой и единственной технологией низкотемпературного охлаждения отдельных молекул вещества. Однако, новая технология позволяет использовать более широкий ряд видов молекул, чем метод традиционного лазерного охлаждения. При помощи нового метода можно охлаждать даже молекулы самых экзотических веществ, которые не существуют в природе и синтезируются в лабораторных условиях.

Из курса школьной физики нам известно, что температура является мерой скорости хаотического движения частиц, атомов или молекул, любого вещества, газа, жидкости или твердого вещества. И для охлаждения частиц требуется их замедлить до минимально возможной скорости.

Именно для замедления скорости движения молекул монофторида кальция в данном случае используется свет нескольких лазеров, направленных на молекулу с разных сторон. Первый лазер освещает охлаждаемую молекулу слева и эта молекула поглощает один из фотонов. Этот фотон отбирает у молекулы некоторое количество ее кинетической энергии подобно бильярдному шару, сталкивающемуся с другим бильярдным шаром. Но с первого раза молекула не теряет свой импульс движения полностью, она начинает двигаться в другую сторону, где ее настигает фотон света от лазера, установленного с обратной стороны. За счет движения молекулы и Допплеровского эффекта длина волны фотона света второго лазера уменьшается, этот фотон поглощается молекулой, которая замедляется от этого еще больше.

В результате такого лазерного «пинг-понга» молекула, выступающая в роли мячика, постепенно замедляется и становится более холодной. При этом, свет от дополнительных лазеров держит молекулу в возбужденном энергетическом состоянии, что позволяет ей испускать фотоны света сразу после поглощения фотонов света «замедляющих» лазеров. Эти фотоны излучаются в произвольных направлениях и не очень сильно изменяют количество кинетической энергии движения молекулы, но и этого достаточно для того, чтобы молекула всегда оставалась чуть «теплой».

Для преодоления предела минимальной температуры технологии допплеровского охлаждения ученые использовали магнитное поле, которое выступало в качестве ловушки для молекулы, для ее ориентации в пространстве в заданном направлении и для подъема ее на некоторую высоту относительно начальной, что привело к увеличению потенциальной энергии и пропорциональному уменьшению кинетической энергии молекулы. И такая уловка позволила уменьшить кинетическую энергию молекулы до уровня, соответствующего температуре 50 микрокельвинов.

«Прежние технологии низкотемпературного охлаждения работали за счет экзотических свойств экзотических молекул, таких как молекулы рубидия калия, к примеру. Такие соединения не существуют в природе, ученые специально синтезируют их в своих лабораториях» — пишут исследователи, — «Наш же метод позволяет использовать молекулы существующих в природе веществ, что открывает перед нами границы для проведения целого ряда новых исследований».