Американские физики охладили монооксид иттрия до одного микрокельвина в одномерных оптических решетках. Для этого они чередовали сжатие молекулярного газа с помощью магнитооптических ловушек с сизифовым охлаждением, а затем применили охлаждение испарением. Исследование опубликовано в Physical Review Letters.

Достижение низких температур — это необходимое условие для экспериментального изучения тонких фундаментальных эффектов в разнообразных квантовых системах. Молекулы занимают в этой картине отдельное место благодаря богатой энергетической структуре, а также большому дипольному моменту, который можно получить для двухатомных соединений. Физики активно используют ультрахолодные молекулы для хранения квантовой информации, экранирования и проверки теорий.

В большинстве таких исследований ученые используют синтетические молекулы, которые собирают из двух щелочных атомов, предварительно охлажденных до очень низких температур. Такие соединения не могут существовать при нормальных условиях. Более привычные молекулы необходимо охлаждать целиком, для чего физики применяют захват в ловушки и различные типы лазерного охлаждения. Эффективность такого подхода меньше, чем в случае охлаждения атомов, поэтому ученым удалось достичь температуры лишь в несколько микрокельвинов. Тем не менее, они продолжают искать пути для дальнейшего ее снижения.

Цзюнь Е (Jun Ye) с коллегами из Университета Колорадо в Боулдере сообщили о том, что они охладили молекулы монооксида иттрия в одномерных оптических решетках до температуры в один микрокельвин. Они достигли этого с помощью последовательности различных манипуляций над молекулами, включающих пленение магнитооптическими ловушками, сизифово охлаждение в оптической патоке и загрузка в оптическую решетку различной глубины.

В начале эксперимента физики захватывали в двухчастотную магнитооптическую ловушку 5×104 молекул при температуре два милликельвина, достигнув концентрации 6×105 частиц на кубический сантиметр. Затем они чередовали изменение параметров ловушки с сизифовым охлаждением в оптической патоке в рамках определенного протокола, что позволило увеличить концентрацию на два порядка. После этого авторы погружали молекулы в одномерную оптическую решетку, сформированную двумя встречными линейно-поляризованным лазерными лучами с длиной волны 1064 нанометра. Ученые фокусировали оба луча в пятно размером 50 микрометров, что формировало глубину решетки равную 60 микрокельвин для мощности лазера равной 11 ватт.

Неоднородность поля оптической решетки приводит к тому, что разные подуровни молекул испытывают различный переменный эффект Штарка. Это снижает эффективность охлаждения и увеличивает потери молекул из ловушки. Варьируя параметры лазера, физики нашли оптимальные условия для оптической патоки. В частности, отстройка отличалась от условий рамановского резонанса, который наблюдается в отсутствие каких-либо дополнительных ловушек, на 2π×70 килогерц, а интенсивность составила 1,4 от интенсивности насыщения. При этих условиях исследователи пленили 1200 молекул при температуре 7,0±0,6 микрокельвин.
На последнем этапе эксперимента физики линейно уменьшали глубину оптической решетки в течение 50 миллисекунд, чтобы провести охлаждение испарением. Для измерения количества оставшихся молекул они регистрировали их флуоресценцию после дополнительного возбуждения на сверхтонком переходе, а для измерения температуры применяли метод баллистического расширения. Чем меньше была глубина, тем ниже температура молекул, но и тем меньшее их количество оставалось в ловушке. Таким образом физикам удалось достичь температуры 1,0±0,2 микрокельвин. Это значение оказалось в 20 раз ниже предыдущего рекорда, достигнутого с помощью похожих методов.

Получившееся значение по порядку величины близко к температурам, получаемым методом симпатического охлаждения, то есть, охлаждения смешиванием с ультрахолодным атомарным газом. Мы уже рассказывали, как с его помощью температуру молекул понизили до 220 нанокельвин.