Молекулы, содержащие четыре атома, являются крупнейшими из всех, которые еще предстоит охладить до температуры всего лишь в стомиллиардные доли градуса выше абсолютного нуля.
Методы, которые исследователи используют для охлаждения отдельных атомов, такие как воздействие на них лазерами и магнитными силами, не так хорошо работают для молекул. Это особенно верно для молекул, состоящих из многих атомов, потому что, чтобы быть очень холодными, они должны быть очень неподвижными — чем больше движущихся частей у молекулы, тем больше у нее возможностей двигаться и нагреваться.
«У нас есть шутка, что мы изучаем молекулы не потому, что это легко, а потому, что это сложно», — говорит Синь-Ю Ло из Института квантовой оптики Макса Планка в Германии. Ему и его коллегам удалось сделать четырехатомные молекулы более холодными, чем когда-либо прежде.
Они начали с нескольких тысяч молекул, состоящих из одного атома натрия и одного атома калия, которые они поместили в безвоздушную камеру и охладили – то есть сделали очень неподвижными – с помощью магнитных сил и вспышек света. Самая холодная возможная температура — 0 Кельвинов, или абсолютный ноль; температура этих молекул была всего на 97 миллиардных долей кельвина.
Чтобы превратить эти двухатомные молекулы в четырехатомные, исследователям пришлось объединить их попарно, не позволяя им нагреваться. Они использовали микроволновые поля для «склеивания» молекул вместе на основе теоретических расчетов Тао Ши и Су И из Китайской академии наук. «Мы действительно не знали, сможем ли мы собрать эти молекулы, но команда Тао провела расчет, и он сказал мне: «Это возможно, просто попробуй», — говорит Ло.
Их испытания прошли успешно. Исследователи создали около 1100 молекул, каждая из которых состоит из двух атомов калия и двух атомов натрия, при температуре 134 миллиардных доли Кельвина — это самые крупные молекулы, достигшие этой ультрахолодной температуры.
«Одна из причин, по которой молекулы делаются ультрахолодными, в первую очередь, заключается в том, чтобы иметь больший контроль над ними, и в этом смысле это большой шаг вперед», — говорит Джон Бон из Университета Колорадо в Боулдере. Новый эксперимент важен не только из-за беспрецедентной температуры молекул, но и потому, что в самом холодном состоянии они переходят в известное квантовое состояние и могут быть переведены в другое состояние или процесс с точностью, говорит он.
Ло говорит, что атомы в этих молекулах не «склеены» друг с другом так сильно, как в молекулах, находящихся при комнатной температуре. Но их создание — необходимый шаг на пути к изучению сложных химических реакций, которые легче наблюдать, когда они чрезвычайно холодны и медленны.
Следующий вопрос заключается в том, какие еще, возможно, даже более крупные молекулы можно было бы построить при сверхнизких температурах из таких же холодных ингредиентов с помощью аналогичной микроволновой техники, говорит Себастьян Уилл из Колумбийского университета в Нью-Йорке. «Я думаю, что мы ищем новые захватывающие возможности для квантовой химии!» он говорит.
