Физики достигли рекордно низких температур

Магнитная молекула Gd7 имеет структуру снежинки
(иллюстрация Nature Communications).

Ученые обычно выражают температуры, используя шкалу Кельвина. Минус 272,15 градусов по Цельсию, как известно, равняются одному Кельвину. Считается, что абсолютный нуль температуры, он же нуль по Кельвину, это нижний предел, при котором останавливается любое движение. Ни одно тело во Вселенной не может иметь температуру ниже.

Теперь международная группа исследователей провела эксперимент, в ходе которого впервые успешно достигла температур ниже -272,15 градусов по Цельсию при помощи магнитных молекул. Это означает, что полученная температура была всего чуть-чуть выше абсолютного нуля.

Процесс достижения столь низких температур можно объяснить при помощи обычного эксперимента с аэрозольным баллоном. Если продолжительное время нажимать на кнопку баллона, то распыляемое вещество будет всё холоднее. Тот же эффект используется и в обычных холодильниках. В обоих случаях газообразный хладагент охлаждается при расширении в силу перехода от высокого давления к низкому.

Впрочем, холодильник и аэрозоль не могут приблизиться к абсолютному нулю температуры. Как правило, для этого исследователи используют в качестве хладагента гелий. Но количество гелия обычно очень ограничено.

Магнитная молекула Gd7 имеет структуру снежинки (иллюстрация Nature Communications).

"Очень редкий изотоп гелий-3, при помощи которого достигаются температуры, близкие к нулю по Кельвину, в настоящее время практически недоступен", — рассказывает в пресс-релизе соавтор исследования профессор Юрген Шнак (Jürgen Schnack) из университета Билефельда.

В качестве хладагента можно использовать и магнитные субстанции. Те вещества, которые использовались в новом эксперименте, в частности, содержат парамагнитные соли. Охлаждение такого рода, в отличие от охлаждения гелием, не имеет ничего общего с давлением. Вместо этого, магнитные субстанции остывают, когда генерируемое электромагнитом внешнее магнитное поле, ослабевает: когда электрический заряд в катушке уменьшается, то магнитное поле также ослабевает, и парамагнитные соли остывают.

В своей статье, опубликованной в журнале Nature Communications, учёные из университетов Манчестера, Сарагосы и Билефельда рассказывают об охлаждении до температуры близкой к абсолютному нулю при помощи "золотой середины" — магнитных молекул.

Это молекулы, содержащие магнитные ионы, например, частицы гадолиния. В отличие от гелия, такие молекулы широко распространены и доступны, что существенно упрощает дальнейшие эксперименты по квантовой физике, которые проводятся исключительно при очень низких температурах.

Суперкомпьютер в университете Билефельда, на котором проводилось компьютерное моделирование (фото Nature Communications).

Магнитные молекулы, которые использовали учёные, работавшие во главе с доктором Эриком МакИннесом (Eric J. L. McInnes) из университета Манчестера, назывались Gd7. Это короткие структуры обладающие формой снежинки. Перед началом эксперимента Шнак и его коллеги провели компьютерное моделирование, которое показало, что охлаждение начинается с ослабления магнитного поля, после чего среда вновь нагревается, а затем опять охлаждается, когда магнитное поле исчезает.

"Мы были очень рады, когда теоретические расчёты объяснили нам этот сложный процесс в деталях. По сравнению с парамагнитными солями, в случае которых температура падает постоянно, пока уменьшается магнитное поле, молекулы, такие как Gd7, ведут себя более сложно. Интереснее всего то, что таким образом очень низких температур можно достичь, даже не выключая магнитное поле полностью", — поясняет соавтор исследования Марко Эванджелисти (Marco Evangelisti) из университета Сарагосы.

Добавим, что Юрген Шнак изучал магнитные молекулы в течение 15 лет. Зачастую эти структуры имеют органическую основу, состоящую из углерода, водорода и кислорода, и в которой особые ионы металлов, такие как ионы железа, связаны друг с другом. Каждая из этих частиц железа функционирует как крошечная магнитная стрелка, а вместе с соседними частицами структура работает как один большой магнит.

По словам учёных, конечная цель исследований магнитных молекул заключается в том, чтобы модифицировать их под использование в самых разных сферах, к примеру, для хранения данных в наноструктурах или в качестве молекул охлаждения. 

Сегодня