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 4688 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 1929 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 1563 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 1143 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 2088 0 Технология
0
Воздух может заряжать аккумуляторы электромобилей
Британские исследователи сделали важный шаг в развитии литий-воздушных аккумуляторов, устройства, которое должно увеличить емкость в 3-5 раз, чем в ныне существующих литий-ионных. После ввода в эксплуатацию таких аккумуляторов будет возможно путешествовать по стране с полностью функционирующим ноутбуком, или говорить по телефону, не заряжая ..
2012-07-24 2586 0 Технология
0
Учёным удалось закодировать изображение на биологическом компьютере
Биологами из Израиля и США впервые получено изображение, созданное при помощи ДНК-кодирования. На одном ДНК-чипе учёные спрятали две картинки, дешифровкой которых занимались специально сконструированные молекулы. В широком смысле биологическим компьютером можно считать любой живой организм, однако в данном ..
2012-02-11 1957 0 Технология
0
Российские школьники придумали молекулярный циферблат
Школьники из Москвы, Казани и Нижнекамска разработали дизайн молекулярной машины, способной, подобно циферблату, переключаться между 12 различными состояниями. Необычное решение позволило участникам победить в Межрегиональном химическом турнире — крупнейшем командном соревновании по химии в России. Результаты опубликованы в группе турнира.Молекулярные машины ..
2017-02-09 7996 0 Технология
0
Итальянцы сделали дом — солнечную батарею
В Италии придумали, как превратить целый дом в концентратор солнечной энергии, пишет defconc.ru. Новый люминесцентный материал разработан в Университете Милан-Бикокка совместно с Национальной лабораторией Лос-Аламос (США). Им можно покрыть не только крышу, на которую обычно помещают солнечные панели, но и всю поверхность ..
2014-04-29 2087 0 Технология
-1
Ученые разработали технологию отображения работы мозга
В современной научной медицинской деятельности немаловажное место занимает исследование головного мозга человека. Шаг на встречу разгадки тонкостей функционирования этого органа сделали ученые университета в Калифорнии. Специально разработанный комплекс визуализации головного мозга позволяет не только получить изображение ..
2014-03-23 1384 0 Технология
0
Минздрав отчитался об успешной операции по пересадке тканей лица
В России провели первую успешную операцию по пересадке тканей лица. Об этом РИА Новости сообщила министр здравоохранения Вероника Скворцова на пресс-конференции в Национальном центре управления обороной.Операция по аллотрансплантации комплекса тканей лица раненому человеку была проведена полгода назад, ..
2015-11-28 6901 0 Технология
0
Лекарство от СПИДа подавляет агрессивный рак груди
Ученые сделали сенсационное открытие. Возможно, вскоре вирус коровьей оспы сможет спасти больных агрессивной формой рака груди. Кстати, возбудитель оспы - препарат нельфинавир, который использовали в опыте, также подавляет и ВИЧ. Тесты, проведенные исследователями Стэнфордского Университета, ..
2012-10-7 2133 0 Технология
0
В КНР врачи успешно пересадили роговицу свиньи человеку
Китайские врачи впервые в истории медицины и трансплантологии успешно пересадили человеку глазную роговицу свиньи. Об этом сообщило информационное агентство Синьхуа. Первым пациентом с роговицей свиньи стал 60-летний Ван Синьи. На протяжении многих лет он страдал серьезным заболеванием глазной роговицы ..
2015-12-22 1735 0 Технология
1
Получен самозатягивающийся трилистный молекулярный узел
Учёные из Кембриджского университета (Великобритания), работающие в области динамической комбинаторной химии, совершенно случайно обнаружили молекулу, способную самопроизвольно складываться в трилистный узел с выходом, близким к количественному. Экспериментируя с различными комбинациями «строительных блоков», химики получили молекулы, состоящие из трёх ..
2012-11-9 1110 0 Технология
0
Названа дата премьеры летающего скейтборда Lexus
Компания Lexus сообщила, что премьера разработанного ею летающего скейтборда намечена на 5 августа. Анонс сделали в новом ролике с демонстрацией устройства, видео разместили на официальном канале Lexus в YouTube. Устройство напоминает ховерборд — доску, показанную в кинофильме «Назад в будущее 2». В отличие от предпринимавшихся ..
2015-07-30 4675 0 Технология
0