
Физики из Университета Калифорнии показали, что ионы,
захваченные в электромагнитные ловушки, могут оставаться «горячими» даже внутри
облака из ультрахолодных атомов, словно бы нарушая принципы термодинамики. По расчетам
авторов, попытка охладить несколько десятков ионов бария с помощью облака
гелия-3, охлажденного до 0,17 кельвина, приведет к устойчивой температуре ионов
в 10 кельвинов. Исследование опубликовано
в журнале Nature Communications (препринт),
кратко о нем сообщает
пресс-релиз университета.
Одним из следствий второго начала термодинамики можно назвать
стремление замкнутых систем к равновесию — выравниванию температуры, давления и
других параметров. Благодаря этому горячий кофе с шариком мороженого, помещенные
в идеально изолированный объем, со временем сравняют свои температуры. Точно
такого же поведения можно ожидать и от других систем — например, от смеси
холодного и горячего газа. 
На основе этой идеи физики разработали метод охлаждения
отдельных ионов до криогенных температур — вблизи абсолютного нуля. Для этого заряженные
частицы, захваченные специальными ионными ловушками, помещают в облако из охлажденных
нейтральных атомов. Этот метод широко применяется для увеличения точности
масс-спектрометров и исследования химических реакций; предполагается, что с его помощью можно будет
обеспечить работу ионных кубитов в квантовых компьютерах.
В 1968 году, спустя десять лет после экспериментального воплощения методики, физики обнаружили что пойманные в ловушку ионы не достигают
теплового равновесия с окружающим газом. Как поясняют авторы новой работы, это
неудивительно, поскольку системы с ионной ловушкой не являются закрытыми. «Нарушителями»
оказываются изменяющиеся электромагнитные поля, периодически добавляющие и
забирающие энергию у системы. Тем не менее, до сих пор особенности охлаждения
нейтральными атомами были плохо изучены и многие детали оставались
неизвестными. 
Чтобы исследовать неравновесное поведение, физики поставили
ряд экспериментов по охлаждению захваченных в оптические ловушки ионов бария. Для
этого авторы помещали различные количества ионов (от одного до десяти) в облако
атомов кальция с температурой четыре милликельвина. Затем, после нескольких
секунд взаимодействия, кальций удаляли и измеряли температуру ионов. Ученые
обнаружили, что в зависимости от исходной температуры ионов («холодной» или «горячей»)
существовало два устойчивых состояния, в которых оказывались атомы. Одно из них
существенно превышало температуру охлаждающего газа.
