Физики сделали первый молекулярный фонтан

Физики сделали первый молекулярный фонтан

Физики из Свободного университета Амстердама впервые создали молекулярный фонтан — устройство, охлаждающее и запускающее молекулы вверх, чтобы проследить за их движением в условиях свободного падения. Аналогичные фонтаны для атомов были известны достаточно давно и используются в сверхточных атомных часах. Ключевым для разработки стало использование нового метода охлаждения молекул до температур, близких к абсолютному нулю. Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters, кратко о нем сообщает Physics.

Первые атомные фонтаны были разработаны в 1989 году. Они используются для того, чтобы создавать свободно падающие пучки атомов с узким разбросом скоростей. Этого можно достигнуть, если использовать изначально очень холодные атомы с малыми собственными скоростями. Время свободного падения атомов в таких устройствах делает возможными очень точные исследования.

Благодаря интерферометрическим измерениям на атомных фонтанах была уточнена гравитационная постоянная, исследовалась квантовая суперпозиция на больших расстояниях, сейчас для них предложены эксперименты по проверки эффектов общей теории относительности. Однако некоторые явления проявляются на молекулах гораздо четче. Например, это относится к расщеплению из-за дипольного момента электрона — предсказанной, но все еще не измеренной экспериментально величине. Она показывает, что свойства электрона несколько отличаются от свойств точечного заряда, это следствие нарушений CP-симметрии в Стандартной модели. 

Заменить атомы в атомном фонтане на молекулы напрямую нельзя: лазерные техники не позволяют также эффективно охлаждать (и замедлять) крупные частицы. Этому мешает, в частности, сложная электронная структура молекул. 

На первом этапе молекулярный пучок направляют в канал, в котором находятся несколько десятков диполей, способных резко менять электрическое поле. Сближение молекулы с очередным диполем выглядит как спуск с горы для первого типа частиц (любящих сильные поля) и как подъем в гору для второго типа частиц. Этот подъем снижает кинетическую энергию молекул второго типа и они замедляются. После прохождения диполя он переключается, чтобы не ускорять уже замедленные молекулы обратно. Этот процесс повторяется многократно (100 раз в установке авторов), однако для надежного охлаждения его недостаточно — с падением скорости молекул он становится менее эффективным. 

Затем охлажденные до 0,001 кельвина молекулы аммиака выстреливались вертикально вверх со скоростью порядка 5-7 километров в час. Это позволяло наблюдать их на протяжение сотен миллисекунд. В существующих молекулярных пучках это время составляет единицы миллисекунд. По словам авторов, это должно дать аналогичный прирост в точности измерений. 

Единственный недостаток установки — небольшая частота детектирования свободно падающих молекул. На пять запусков фиксируется лишь одна молекула. Улучшив этот показатель авторы добьются меньшей статистической ошибки в эксперименте. Среди применений установки высокоточные спектроскопические исследования аммиака, а также различных хиральных молекул. Последние представляют собой зеркальные отражения друг друга, расхождения в их спектральных свойствах могут указывать на какие-либо важные нарушения фундаментальных симметрий. 

Атомные фонтаны уже нашли применение в сверхточных измерениях времени — на их основе работают самые точные цезиевые часы. Напомним, что современный эталон секунды определяется как 9 192 631 770 периодов излучения (электронных переходов) в атоме цезия. В первых прототипах атомных часов скорость потока атомов (около ста метров в секунду) было очень сложно контролировать. При этом атомы должны были своевременно взаимодействовать с возбуждающим излучением. Цезиевые фонтаны позволили одновременно уменьшить скорость атомов вплоть до сантиметров в секунду и упростить схему генератора частоты. 

Первые атомные часы на цезиевом фонтане увеличили точность измерения времени на порядок, и до сих пор считаются наиболее точными носителями частоты цезиевых часов. Сейчас в мире есть около дюжины часов-атомных фонтанов, способных измерять время с точностью от одной квадриллионной доли секунды и до десятков квинтиллионных долей. О применении молекулярных фонтанов из аммиака для измерения времени авторы не говорят, но интересно заметить, что первые прототипы атомных часов работали именно на аммиаке.

Схожим принципом работы обладают атомные интерферометры. В отличие от фонтанов, атомы в них формируют бозе-эйнштейновский конденсат, который свободно падает по вертикали. С помощью лазерных импульсов конденсат делят на две группы частиц, по-разному взаимодействующих с окружающими полями. Поскольку система ведет себя как квантовый объект, в точке измерения происходит интерференция между группами частиц, позволяющая очень точно измерить задержку между группами. На таком принципе основаны атомные гравиметры — приборы для измерения гравитации. В прошлом году международная группа физиков впервые сделала такой прибор портативным.

Королёв Владимир

N+1

Похожие новости:
Ученые напрямую получили из углекислого газа молекулярный кислород
Химики из США продемонстрировали простой способ прямого образования из углекислого газа молекулярного водорода и атомарного углерода. Результаты своих исследований авторы опубликовали в журнале Science. Молекулярный кислород и атомарный водород ученые получили при помощи действия на углекислый газ высокоэнергетического ультрафиолетового излучения ..
2014-10-04 2539 0 Технология
0
Учёные сконструировали молекулярный двигатель
По данным сайта EE Times, международный коллектив ученых сообщил в журнале Nature Nanotechnology о создании многокомпонентного молекулярного мотора, способного вращаться вперед и назад. Вращать индивидуальные молекулы удавалось и раньше, но данное устройство стало первым полноценным молекулярным двигателем, ..
2013-01-17 1443 0 Технология
0
Физики создавали двухмерные графеновые транзисторы
Американские физики сделали большой шаг в сторону двухмерной графеновой электроники, научившись наносить слой изолятора на произвольные участки листа из "нобелевского" углерода, что позволило им изготовить сверхтонкие транзисторы из графена, говорится в статье, опубликованной в журнале Nature Nanotechnology. Этот элемент ..
2013-01-29 1099 0 Технология
0
Японцы выпустили молекулярный поезд на рельсы из ДНК
Учёные из университета Киото научились отправлять миниатюрный молекулярный состав по разветвлённой сети рельсов из ДНК. Ранее японцы придумали, как заставить "мотор", состоящий всего из одной молекулы, двигаться по прямой. Теперь же исследователи из Страны восходящего солнца научились управлять движением ..
2012-01-25 1454 1 Технология
0
Ученые могут создать генетически-биологическую память
Ученые Массачусетского технологического института снова сделали открытие. Используя фермент рекомбиназы для изменения последовательности ДНК, выступающей в качестве логических элементов, исследователи разработали сотовую схему, которая не только имитирует аналогичную из кремния, но также и имеет свою собственную ..
2013-02-13 1129 0 Технология
0
Паутину превратили в молекулярный динамометр
Американские биоинженеры разработали новый вид «молекулярного динамометра» из пептидной пружины на основе одного из белка пауков. Такой молекулярный прибор позволяет измерять механическое натяжение прямо внутри живой клетки, причем для этого достаточно просто наблюдать в микроскоп за характером ..
2016-02-15 675 0 Технология
0
Физики сделали «суперлинзу» для передачи электричества на расстояние
Физики под руководством Ярослава Уржумова из Университета Дьюка, создали устройство, которое повышает эффективность электромагнитной индукции для передачи электричества на расстояние. Описание устройства опубликовано в журнале Scientific Reports, кратко о нем можно прочитать на сайте университета. «Суперлинза» представляет собой квадрат ..
2014-01-14 922 0 Технология
0
Китайские термоядерщики получили рекордную температуру
Физики в Китае на термоядерном реакторе Experimental Advanced Superconducting Tokamak (EAST) получили рекордную для аналогичных установок температуру в 49,99 миллиона градусов по Цельсию. Об этом сообщает издание South China Morning Post.Полученная водородная плазма в EAST в три раза горячее ..
2016-02-05 1266 0 Технология
1
Физики научились «гравировать» электрические цепи в кристаллах
Ученые из Университета штата Вашингтон научились с помощью лазерного луча создавать электрические цепи в кристалле титаната стронция. В этом им помог эффект устойчивой фотопроводимости, при которой сопротивление материала падает в сотни раз при облучении светом и остается низким в течение долгого времени. Получившиеся электропроводные цепи в металле ..
2017-08-02 15676 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 1292 0 Технология
0
Физики создали самые холодные молекулы
Американские ученые создали самые холодные молекулы, охладив газ из натрия и калия (NaK) до 500 нанокельвинов. Об открытии сообщается в журнале Physical Review Letters, а коротко о нем рассказывает издание Live Science. Физики давно размышляют о том, как ведет себя материя при сверхнизких температурах. ..
2015-06-16 1082 0 Технология
1
Создан новый тип носителя информации
Американские физики предложили новый компактный носитель информации. Исследование опубликовано в журнале Science Advances, кратко о нем сообщает издание EurekAlert!Физики создали трехмерный алмазный чип, в котором для хранения памяти используются азото-замещенные вакансии — один из дефектов кристаллической решетки, ..
2016-10-27 12685 0 Технология
0
Физики разработали фемтосекундную микроскопию для электромагнитных полей
Физики из Университета Людвига Максимилиана разработали новую методику электронной микроскопии, которая позволяет увидеть сверхбыстрые колебания электромагнитного поля. Ученые проверили ее, проанализировав изменения в электронном поле, которые происходят при взаимодействии метаматериалов с видимым светом. По словам авторов, новый метод микроскопии ..
2016-07-25 1717 0 Технология
0
Ученые изобрели самую маленькую микросхему
Команда из международных ученых разработали одну из самых маленьких в мире микросхем – она сформирована двумя проводами, которые разделены 150 атомами или 15 нанометрами (нм). Супер-маленький прототип, как предполагается, окажет значительный эффект на скорость и мощность цепей в целом ряде устройств включая ..
2011-12-9 1492 0 Технология
0
Физики создали квантовый микрофон
Учёные технического университета Чалмерса (Chalmers University of Technology) продемонстрировали новый тип детектора для сверхслабого звука. Устройство назвали "квантовым микрофоном", так как оно настолько мало, что работает по законам квантовой физики. «Квантовый микрофон» основан на одноэлектронном транзисторе с пьезоэлектрической связью. Переключатель транзистора ..
2012-03-1 1455 0 Технология
0