Экстремальное состояние материи, изолированное впервые

Мы знаем – так как еще до экспериментов по исследованию золотых фольк в Резерфорде – атом в основном пустом пространстве. Во всех, кроме самых тяжелых атомах, полезной картиной является мысль о том, что электрон, свистящий на своей орбите вдали от ядра.

Изображение кредита: vchal / shutterstock

Пустое пространство в атоме является источником увлечения физиков и мирян. Что делать, если можно было что-то упаковать с этим пространством? Это именно то, что было достигнуто благодаря новым исследованиям, опубликованным в Physical Review Letters.

Создавая так называемый «атом Ридберга» где электронная орбита находится на значительном расстоянии от ядра, ученые смогли собрать это пространство с помощью дополнительных атомов. Затем атомы образуют слабые связи друг с другом и формируется новое состояние экзотического вещества, которое ученые называют ридберговскими поляронами. Теоретическая основа работы была выполнена в Ту-Вена (Вена) и Гарвардском университете, а синтез ридберговских поляронов был проведен в Университете Райса в Хьюстоне (Техас).

Исследование проводилось в экстремальных условиях – оно включает два состояния материи, которые лучше всего можно назвать экзотическими. Вблизи абсолютного нуля бозонная материя может конденсироваться в конденсаты Бозе-Эйнштейна; Между тем атомы Ридберга представляют собой атомы, в которых один электрон возбуждается в его максимально возможный связанный энергетический уровень, так что он вращается на большом расстоянии от ядра.

«Среднее расстояние между электроном и его ядром может достигать нескольких сотен нанометров, то есть больше, чем в тысячу раз больше радиуса атома водорода» по словам профессора Йоахима Бургёрфера. Со своим партнером-исследователем профессором Шухеем Йошидой они изучали ридберговские атомы экспериментально и теоретически в течение многих лет

Эти необычные атомы важны по разным причинам; их изучение позволяет определить точные измерения времени жизни метастабильных состояний, что, в свою очередь, является важным тестом для нашего понимания стандартной модели. Ридберговские атомы также могут образовываться в плазме, такой как межзвездная среда, поскольку электроны рекомбинируют с атомами в энергетической среде. Считается, что, возможно, в межзвездной среде атомы Ридберга могли образоваться и оказаться стабильными гораздо дольше, чем на Земле из-за отсутствия столкновений.

Вначале экспериментальная процедура включала конденсат Бозе-Эйнштейна с атомами стронция, охлаждая их до ультрахолодных температур; как только они конденсируются, лазеры переносят достаточно энергии на один атом, чтобы возбудить его в свое ридберговское состояние. Учитывая, что радиус орбиты электронов для ридберговского атома намного больше среднего расстояния между атомами в конденсате, вы можете иметь десятки атомов, лежащих внутри орбиты ридберговского стронциевого атома – возможно, до 170.

Интересно, что атомы не оказывают большого влияния на орбиту электрона – это потому, что они электрически нейтральны и, следовательно, не оказывают огромной силы на электрон в его орбите. Но присутствие атомов медленно рассеивается и возмущает орбиту электрона без ионизации ридберговского атома.

Эти слабые взаимодействия между электронной орбиталью и атомами служат для уменьшения полной энергии системы по сравнению с конденсатом без атомов, заключенных ридберговским атомом. Учитывая, что система находится в более низком энергетическом состоянии, этот процесс слабо связывает атомы.

«Это очень необычная ситуация», говорит Шухеи Йошида. «Обычно мы имеем дело с заряженными ядрами, связывающими электроны вокруг них. Здесь у нас есть электрон, связывающий нейтральные атомы».

Связь существенно слабее, чем межатомные взаимодействия, которые мы привыкли рассматривать, такие как взаимодействия атомов в кристаллической решетке. Следовательно, для того, чтобы это небольшое возмущение в энергии системы стало достаточно важным для наблюдения, температура должна оставаться очень низкой. Эта форма материи еще может дать представление о физике конденсатов и физики Бозе-Эйнштейна, которая становится существенной при ультрахолодных температурах.

Для нас это новое слабосвязанное состояние материи является новой новой возможностью исследования физики ультрахолодных атомов. Таким образом, с очень высокой точностью можно исследовать свойства конденсата Бозе-Эйнштейна на очень малых масштабах.

Иоахим Бургдорфер

Отказ от ответственности: мнения, выраженные здесь, принадлежат авторам, выраженным в их личном качестве, и не обязательно представляют мнение AZoM.com Limited T / A AZoNetwork, владельца и оператора этого сайта. Это отказ от ответственности является частью Условий использования этого веб-сайта.

Source link