Фізикам вдалося охолодити фермі-газ, що складається з молекул, нижче температури Фермі. Вони навчилися налаштовувати пружність взаємодії в газі полярних молекул зовнішнім електричним полем і отримали вироджений газ. Робота опублікована в журналі.
Експерименти з ультрахолодними атомними газами дозволяють перевіряти теоретичні моделі і знаходити нові ефекти в складних квантових системах. Детальніше про ультрахолодні гази можна прочитати в нашому матеріалі «Квантові гази при низьких температурах». Водночас вчені намагаються отримати ультрахолодний газ з молекул, які взаємодіють набагато ефективніше, ніж атоми. Строго кажучи, їх цікавлять полярні молекули, між якими виникає сильна діполь-дипільна взаємодія.
Квантові ефекти в газах Фермі або Бозе - Ейнштейна можна спостерігати при дуже низьких температурах і високих концентраціях частинок, тобто якщо гази вироджені. У разі молекулярних газів досягти виродженості складно через наявність сильних неупругих втрат.
Група дослідників з Національного інституту стандартів і технологій під керівництвом Цзюнь Е (Jun Ye) розробила і перевірила систему, яка дозволяє контролювати пружність взаємодії в молекулярних фермі-газах. Збільшення числа упругих співударінь у порівнянні з неспокійним зробило споконвічне охолодження газу ефективнішим і дозволило авторам вперше отримати вироджений газ полярних молекул.
Вчені використовували суміш з охолоджених фермі-газу ізотопів калію і бозе-газу ізотопів рубідію, яку поміщали в оптичну дипольну пастку і формували з них двомірні хмари атомів. Щоб отримати молекули з двох типів атомів, необхідно точно підібрати зовнішнє магнітне поле. Воно повинно компенсувати різницю між енергіями вільних атомів і пов'язаних для дотримання закону збереження енергії. Після цього молекули охолоджують до основного стану когерентними світловими імпульсами, викликаючи вимушене раманівське випромінювання (такий метод називається STIRAP).
Молекули утвореного степерного газу є діполями, тому що складаються з двох різних атомів. Це дуже важливо для їх подальшого застосування в симуляції квантових систем через наявність сильної діполь-дипільної взаємодії, якої немає у атомів і гомоядерних молекул. Залежно від орієнтації полярної молекули можна змінювати характер їх взаємодії. Автори поміщали молекулярний газ між шістьма електродами, що складаються зі скляних поверхонь, покритих оксидом індія-олова і стрижнів з вольфраму. Ця конфігурація дозволяла електрично поляризувати молекули так, щоб вони стикалися однаково зарядженими кінцями і відштовхувалися (пружна взаємодія).
Авторам вдалося отримати значення пружної взаємодії в сто разів перевищують неупругое. Завдяки цьому подальше видалення гарячих молекул, тобто іспанське охолодження, виявилося дуже ефективним і дозволило охолодити решту молекул до досягнення фермієвського виродження.
Розроблений фізиками метод виявляється універсальним і може забезпечити бозе-конденсацію в бозонних молекулярних газах. Крім того, результати роботи створюють основу для дослідження сильно-корельованих систем.
Фізики не тільки змушують холодні атоми утворювати молекули, а й вивчають взаємодії хмар різних атомів, як, наприклад, австрійські фізики, які створили бозе-конденсат з ізотопів ербію та диспрозію. А американські фізики з'ясували, що станеться, якщо взяти суміші атомів з істотно різними масами.