Движение молекул обычных газов управляется законами ньютоновской механики. Картина радикально меняется, если газ охладить почти что до температуры абсолютного нуля. В этом случае молекулы почти полностью теряют кинетическую энергию и сближаются на очень малые дистанции. Поведение такого молекулярного ансамбля подчиняется уже не классической, а квантовой механике. Подобные газы называются квантовыми.
Хотя теория квантовых газов разработана несколько десятилетий назад, их стали получать в лаборатории всего лишь в прошлом десятилетии. Однако до сих пор экспериментаторам удавалось переводить в квантовое состояние только газы, состоящие из электрически неполяризованных молекул. Такие молекулы никак не взаимодействуют дальнодействующими электрическими силами, поскольку положительные и отрицательные заряды внутри них полностью скомпенсированы.
Физики уже давно стараются сделать следующий шаг и создать квантовые газы на основе молекул, в которых заряды разных знаков группируются по разные стороны от геометрического центра. Такую молекулу можно представить как гантель, один шарик которой заряжен положительно, а другой – отрицательно. Подобная поляризация называется дипольной, двухполюсной.
Молекулы с дипольной поляризацией испытывают силовое взаимодействие не только на самых малых, но и на больших расстояниях. Поэтому поведение квантового газа из дипольно поляризованных молекул демонстрирует такие физические эффекты, которые не наблюдаются в квантовых газах с нулевой поляризацией. В частности, есть основания считать, что газы этого типа можно будет успешно использовать в квантовых компьютерах.
Как уже говорилось, для перевода газа в квантовое состояние его температуру надо довести почти до абсолютного нуля. По ряду технических причин это очень трудно сделать, если газовые молекулы обладают большими дипольными электрическими моментами. До недавнего времени эта задача казалась почти неразрешимой. Однако теперь экспериментаторы преодолели и этот барьер. Физики из Национального института стандартов и технологий и Колорадского университета создали долгожданный квантовый газ нового типа.
Каждая молекула этого газа состоит из атома калия и атома другого щелочного металла, рубидия. Для его создания экспериментаторы сначала изготовили очень холодную газообразную смесь из атомов обоих металлов и заперли ее в лазерной ловушке. Потом они включили магнитное поле, которое заставило атомы калия и рубидия объединиться в пары. Однако молекулы этого газа все еще обладали большой кинетической энергией, поскольку сильно вибрировали и вращались. По этой причине температура газа оставалась слишком высокой для перехода в квантовое состояние.
Экспериментаторы во главе с Деброй Джин [Deborah Jin] и Чжуном Йе [Jun Ye] разрешили и эту проблему. Они облучали газ инфракрасными лазерными импульсами двух специально подобранных частот. Под их воздействием газовые молекулы сначала переходили в возбужденные состояния, а затем сами испускали инфракрасные кванты, которые уносили их энергию.
В результате на этом заключительном этапе температура газа упала до 350 миллиардных долей градуса выше абсолютного нуля. Поскольку его молекулы при потере энергии ужимались в размерах, плотность газа резко возросла и дошла до триллиона частиц на кубический сантиметр. Такой газ уже оказался настоящей квантовой системой.
Хотя теория квантовых газов разработана несколько десятилетий назад, их стали получать в лаборатории всего лишь в прошлом десятилетии. Однако до сих пор экспериментаторам удавалось переводить в квантовое состояние только газы, состоящие из электрически неполяризованных молекул. Такие молекулы никак не взаимодействуют дальнодействующими электрическими силами, поскольку положительные и отрицательные заряды внутри них полностью скомпенсированы.
Физики уже давно стараются сделать следующий шаг и создать квантовые газы на основе молекул, в которых заряды разных знаков группируются по разные стороны от геометрического центра. Такую молекулу можно представить как гантель, один шарик которой заряжен положительно, а другой – отрицательно. Подобная поляризация называется дипольной, двухполюсной.
Молекулы с дипольной поляризацией испытывают силовое взаимодействие не только на самых малых, но и на больших расстояниях. Поэтому поведение квантового газа из дипольно поляризованных молекул демонстрирует такие физические эффекты, которые не наблюдаются в квантовых газах с нулевой поляризацией. В частности, есть основания считать, что газы этого типа можно будет успешно использовать в квантовых компьютерах.
Как уже говорилось, для перевода газа в квантовое состояние его температуру надо довести почти до абсолютного нуля. По ряду технических причин это очень трудно сделать, если газовые молекулы обладают большими дипольными электрическими моментами. До недавнего времени эта задача казалась почти неразрешимой. Однако теперь экспериментаторы преодолели и этот барьер. Физики из Национального института стандартов и технологий и Колорадского университета создали долгожданный квантовый газ нового типа.
Каждая молекула этого газа состоит из атома калия и атома другого щелочного металла, рубидия. Для его создания экспериментаторы сначала изготовили очень холодную газообразную смесь из атомов обоих металлов и заперли ее в лазерной ловушке. Потом они включили магнитное поле, которое заставило атомы калия и рубидия объединиться в пары. Однако молекулы этого газа все еще обладали большой кинетической энергией, поскольку сильно вибрировали и вращались. По этой причине температура газа оставалась слишком высокой для перехода в квантовое состояние.
Экспериментаторы во главе с Деброй Джин [Deborah Jin] и Чжуном Йе [Jun Ye] разрешили и эту проблему. Они облучали газ инфракрасными лазерными импульсами двух специально подобранных частот. Под их воздействием газовые молекулы сначала переходили в возбужденные состояния, а затем сами испускали инфракрасные кванты, которые уносили их энергию.
В результате на этом заключительном этапе температура газа упала до 350 миллиардных долей градуса выше абсолютного нуля. Поскольку его молекулы при потере энергии ужимались в размерах, плотность газа резко возросла и дошла до триллиона частиц на кубический сантиметр. Такой газ уже оказался настоящей квантовой системой.
