Физики научились охлаждать водород «причесыванием»

Физики научились охлаждать водород «причесыванием»

Физики из Университета Калифорнии разработали новый метод лазерного охлаждения атомов, который позволит снизить температуру частиц до десятитысячных долей кельвина. Этот метод впервые позволит ученым работать с холодными атомами водорода, углерода, азота и кислорода, охлаждение которых невозможно традиционными методами из-за отсутствия ультрафиолетовых лазеров с необходимыми характеристиками. В его основе лежат оптические гребенки — лазерное излучение, спектр которого состоит из множества узких полос. Авторы надеются, что новая методика позволит моделировать астрофизические процессы и искать отличия в свойствах водорода и антиводорода. Исследование опубликовано в журнале Physical Review X, кратко о нем сообщает Physics.

Захваченные в ловушку холодные атомы — удобный модельный объект, на котором физики изучают различные явления в твердых телах, такие как сверхпроводимость или конденсация Бозе — Эйнштейна. Главное их преимущество — отсутствие тепловых колебаний, которые «размывают» сигнал в реальных системах. Ключевым в создании таких систем является процесс охлаждения атомов до температур вблизи абсолютного нуля. Существующие методики используют, как правило, доплеровское лазерное охлаждение.

Суть доплеровского охлаждения состоит в следующем. Облако предварительно охлажденного газа помещают в камеру на перекрестье лучей лазеров. Каждый фотон используемых лазеров несет в себе энергию немного меньшую, чем та, которая требуется атому газа для перехода в возбужденное состояние. Из-за этого при поглощении кванта света атом тратит часть своей кинетической энергии на переход в возбужденное состояние и уменьшает свою скорость. Спустя короткий промежуток времени атом испускает фотон обратно, переходя в невозбужденное состояние. Этот цикл повторяется многократно, в результате чего температура атомов газа в облаке опускается до миллионных долей кельвина. Кроме того, за счет интерференции в системе возникает магнитооптическая ловушка, которая заставляет атомы формировать периодические структуры. 

Однако такой способ охлаждения удобен не для всех атомов. Традиционно физики используют его для щелочных и щелочноземельных элементов (например, K, Rb, Cs, Ba, Sr), также им можно охлаждать некоторые переходные и непереходные металлы. Но, к примеру, охлаждение водорода, углерода или кислорода требует лазеров с жестким ультрафиолетовым излучением — подобные устройства с непрерывным излучением и узкими спектральными диапазонами недоступны. Вместе с тем, существуют такие лазеры, работающие в импульсном диапазоне. Правда, подобные устройства почти не используются для охлаждения атомов — это связано с их спектральными характеристиками. Спектр таких лазеров состоит из набора тонких линий, расположенных на равных расстояниях друг от друга — ширина этого набора линий превышает ширину спектральных линий непрерывных лазеров, используемых для охлаждения. 

В новой работе авторы воспользовались массивом спектральных линий — оптической гребенкой — как преимуществом импульсного лазера. Когда атомы поглощали фотон, относящийся к определенному «зубчику» гребенки, они переходили на виртуальный уровень возбуждения. Для перехода в первое возбужденное состояние атом должен был поглотить фотон из другого «зубчика». Такой двухступенчатый процесс заменял традиционное поглощение одного фотона в доплеровском охлаждении. Ученые отмечают, что в предыдущих попытках другие группы физиков использовали для охлаждения лишь несколько зубчиков из всей системы, а в их новом эксперименте используется вся гребенка.

Работоспособность методики авторы проверили на традиционном для подобных экспериментов рубидии. Ученые охлаждали облако атомов с помощью коротких импульсов оптических гребенок продолжительностью 2-5 пикосекунд. В результате удалось достигнуть температуры атомов в 57 микрокельвинов. По словам физиков, недостатком метода является небольшая скорость поглощения фотонов (а значит и охлаждения) — в 1000 раз меньше, чем в традиционных методах. Это означает, что для эффективного охлаждения атомов потребуется отдельная стадия предохлаждения, методику которой еще предстоит отработать. 

Авторы предполагают, что с помощью новой методики удастся создать магнитооптическую ловушку для антиводорода — вещества, атомы которого состоят из позитрона и антипротона. Согласно современным представлениям, антиводород должен обладать точно такими же энергиями электронных переходов, как и водород. Измеряя спектры атомов антиводорода, захваченных в ловушку, физики смогут экспериментально проверить CPT-симметрию, одно из фундаментальных свойств квантовой теории поля.

Ранее мы сообщали о необычных явлениях, наблюдаемых при охлаждении атомов другим способом — взаимодействием с нейтральным холодным газом. Оказалось, что при попытке охладить захваченные в оптическую ловушку атомы последние могут сохранять высокую температуру (до 10 кельвинов) даже при субкельвиновой температуре охлаждающего газа.

Владимир Королёв

N+1

Похожие новости:
Стэнфордские физики создали световой расщепитель воды
Эта технология позволит в промышленных масштабах производить водород. Американские физики научились использовать тонкие пластинки из кремния и сверхтонкую нанопленку из никеля в качестве основы для дешевого прибора, способного расщеплять молекулы воды на водород и кислород в течение долгого времени, и опубликовали инструкцию ..
2013-11-15 1120 1 Технология
1
Кремний и вода дадут водород в 150 раз быстрее
Сверхмаленькие частицы кремния, вступая в реакцию с водой, практически мгновенно производят водород. Таковы результаты исследования, проведенного учеными из университета Буффало. В ходе серии экспериментов ученые создали сферические кремниевые частицы около 10 нанометров в диаметре. Объединенные с водой, ..
2013-01-26 1375 0 Технология
0
Изобретён водородный бензин?
Ученые из Университета штата Орегон разработали жидкость, которая способна накапливать и отдавать водород. Подобная технология может решить проблему использования перспективного экологичного водородного топлива на транспорте и в энергетике Жидкость на основе бора и азота позволяет надежно и безопасно хранить ..
2011-12-4 1628 0 Технология
1
Наука и технологии. Алюмоэнергетика — черты грядущего
Репортаж Максима и Петра Калашниковых из Объединенного института высоких температур (ОИВТ) РАН. Завотделом «Алюмоэнергетика» Евгений Школьников о том, что топливом будущего может стать волшебный металл -- алюминий. Как получать сразу водород, электричество, тепло и сырье для производства искусственных ..
2013-11-27 1215 0 Технология
0
Физики научились управлять стабильностью границы термоядерного шнура
Физики из США и Австралии научились управлять потенциально опасными тепловыми всплесками во внешних границах плазмы (ELM-нестабильностью) в токамаке (установка для магнитного удержания плазмы). Результаты своих исследований авторы опубликовали в двух статьях в журнале Physical Review Letters, а кратко с их содержанием ..
2015-03-17 955 0 Технология
0
Наночастицы научились обманывать иммунную систему
Исследователи из университета Пенсильвании научились защищать предназначенные для доставки лекарств наночастицы от действия макрофагов, снабдив их соответствующим пептидом из системы распознавания «свой»-«чужой». Работа опубликована в журнале Science, а ее краткое содержание приводит ScienceNow. Для защиты наночастиц ученые использовали последовательность белка CD47, который содержится ..
2013-02-22 1003 0 Технология
0
Физики сделали транзистор из одного атома
Международная группа ученых создала транзистор, состоящий из одного атома фосфора, размещенного на кремниевой подложке. Статья ученых появилась в журнале Nature Nanotechnology. Физики уже достаточно давно умеют манипулировать отдельными атомами. Например, с помощью сканирующего туннельного микроскопа еще в 1990 году ..
2012-02-20 1074 0 Технология
0
Сероводород при высоком давлении оказался сверхпроводником
Международная группа физиков предложила новое объяснение тому, что при высоких температурах сероводород превращается в сверхпроводник тока. Таким образом ученые подтвердили эксперименты своих коллег. Результаты своих исследований авторы опубликовали в журнале Physical Review Letters. В начале ..
2015-04-19 1212 0 Технология
1
Светодиоды научились излучать запутанный свет
Физики из Университета Торонто разработали схему работы светодиодов, которые за счет дополнительного сверхпроводящего слоя излучают запутанные фотоны. Работа опубликована в журнале Physical Review B, ее препринт можно найти в arxiv.org, кратко содержание статьи приводится на сайте университета. Обычные ..
2014-03-21 861 0 Технология
0
Одноатомная «лупа» помогла увидеть отдельные связи в молекуле
Физики из Испании и Великобритании разработали методику заключения света в резонатор объемом всего в 1 кубический нанометр. Это помогло ученым изучить колебания отдельных связей в одиночной молекуле: резонатор усилил взаимодействия между колебаниями атомов и светом в миллион раз. По словам авторов, ..
2016-11-12 7985 0 Технология
0
MagCool позволит создать магнитные холодильники
Ученые создали экономичный холодильник, работающий на принципе магнитного охлаждения.Прибор может охлаждать материалы до минус 20,5 градусов Цельсия, при этом в его системах вместо фреона и других «парниковых» газов циркулирует вода, что делает технологию экологически безопасной,сообщает «WordScience.org». «Мы существенно ..
2012-06-2 1436 0 Технология
0
Искусственный фотосинтез стал эффективным
На химфаке Королевского технического института в Швеции сумели создать искусственный механизм фотосинтеза, который по скорости химической реакции не уступает фотосинтезу растений. По словам самих исследователей, это открывает новые перспективы в альтернативной энергетике. Раньше многие пытались воспроизвести часть ..
2012-04-13 2424 0 Технология
0
Получение дешевого водорода из воды стало ближе
Водород обладает значительным потенциалом экологически чистого топлива, однако его производство слишком дорого, чтобы быть коммерчески целесообразным. Группа ученых из Принстонского и Ратгерского университетов сделали еще один шаг к получению дешевого водорода. Исследователи, возглавляемые профессором химии Принстонского университета ..
2013-02-13 3329 0 Технология
0
Ученые разрабатывают энергию на водороде
Компания Signa, разрабатывающая портативную технику водородного топлива, получила финансирование от Агентства США по международному развитию (USAID), чтобы дальше продолжить свое исследование. В качестве источника применяется возобновляемый источник энергии – Водород без выбросов,сообщает «WordScience.org». SIGNA использует натрия ..
2012-06-7 786 0 Технология
0
Ученые повысили процент получения водорода из воды
Фотокаталитическое расщепление воды использует солнечный свет для разделения воды на водород и кислород. Это экологически чистый способ получения водорода для топливных элементов. В журнале «Angewandte Chemie», японские исследователи представили новый способ получения более эффективных фотокатализаторов. Их метод ..
2013-09-24 1191 0 Технология
0