Физикам из Национального института стандартов и технологий (NIST) удалось охладить макроскопический объект — алюминиевую пластинку — до температуры, ниже квантового лимита, используя «сжатый свет». При этом остановилось не только движение атомов относительно друг друга: даже электроны «ушли» на самые низкие энергетические уровни.
Физикам удалось охладить макрообъект сильнее, чем это вообще возможно
Teufel/NIST
Алюминиевая пластина (она же микроволновой резонатор), который удалось охладить ниже квантового предела

Абсолютный ноль, при котором прекращается движение атомов и молекул — это теоретическая концепция, в природе 0 К не бывает. Ученые научились приближаться к абсолютному нолю, охлаждая отдельные атомы лазером — например, за счет эффекта Допплера. В таких экспериментах физики порционно подают на отдельные атомы и небольшие группы атомов фотоны, частота которых чуть ниже частоты ближайшего доступного энергетического уровня электрона в атоме. Поглощая фотон, атом приобретает энергию и стремится совершить скачок на следующие уровень — но энергии недостаточно, и атом возвращается в основное состояние, да еще тратит энергию на попытку перехода. В результате он становится несколько «холоднее», чем до встречи с фотоном. Таким образом удавалось охлаждать отдельные частицы до 500 милликельвин.

Ниже этой температуры материю можно охладить методом боковой полосы, направив на частицу волну с частотой, соответствующей частоте одного из пределов (боковой полосы) колебаний атома, предварительно охлажденного по допплеровскому методу.

Однако в подобных экспериментах по охлаждению речь всегда идет об объектах микромира — атомах и молекулах. Физики из NIST же попытались охладить огромную по сравнению с отдельными атомами вещь — алюминиевую пластинку диаметром в половину сечения человеческого волоса. Сделать это удалось, сделав из нее микроволновой резонатор и направив на него луч лазера, дающего свет в особом, сжатом состоянии.

За экспериментальное подтверждение существования сжатого когерентного света Рой Глаубер получил Нобелевскую премию по физике в 2005 году. Проводя фотоны через особые кристаллы, Глаубер научился получать свет одной, очень чистой частоты. Кванты света, выходящие из глауберовского лазера, имеют самую низкую из возможных для себя энергий, поэтому с их помощью можно воздействовать на частицы, сообщая им очень точное количество энергии.

Направив на микроволновой резонатор такой сжатый свет, ученые получили следующую картину. Атомы металла в резонаторе были предварительно «настроены» на одну частоту. Кванты сжатого света, попадая в резонатор, «раскачивали» электроны почти до прыжка на следующий энергетический уровень, но энергии для перехода не хватало, и они возвращались обратно в невозбужденное состояние, теряя при этом еще некоторое количество энергии. В результате таких потерь вещество всего резонатора охладилось ниже квантового предела — теоретической границы, за которой заканчивается измерение температуры и начинается измерение энергии квантовых явлений. Косвенными методами удалось измерить частоту колебаний системы (термин «температура» здесь не вполне применим): она оказалась равной 0,18−0,20 фононам (квантам колебательного движения атомов кристалла или металла). Атомы алюминия практически замерли на месте, и даже электроны в атомах металла заняли самые низкие энергетические уровни.

Результаты исследования опубликованы в журнале Nature.