Ридберговские состояния. Ученые создали новую уникальную форму материи, состоящей только из фотонов света и похожую на меч рыцарей-джедаев Дипольная блокада ридберговских атомов

Экзотическая молекула, существование которой до сих пор было лишь предметом теоретических споров, наконец-то получена международной группой учёных, возглавляемой Верой Бендковски (Vera Bendkowsky) из университета Штутгарта (Universität Stuttgart). Открытие является новым подкреплением квантовой теории, описывающей поведение электронов в необычных условиях.

Новая молекула была «изготовлена» из двух атомов рубидия, один из которых был обычным, а второй — ридберговским атомом . Это означает, что один из электронов его внешней оболочки находился в высоковозбуждённом состоянии.

Ридберговские атомы сами по себе — необычные объекты. Они получаются, когда на электронную оболочку действуют лазерным лучом с определённой длиной волны. Говоря упрощённо, один из электронов ридберговского атома отдаляется от ядра на расстояние намного-намного большее, чем электроны в любом другом атоме, но, однако, продолжает быть связанным с ним.

Крис Грин (Chris Greene), физик-теоретик из университета Колорадо, и ряд его коллег ещё в 1970-х годах предсказали, что между ридберговскими и нормальными атомами возможно взаимодействие с образованием молекул. Но поскольку электрон, обеспечивающий это взаимодействие, крайне отдалён от своего родительского атома, получающаяся химическая связь — необычайно слаба, так что в обычных условиях ридберговская молекула попросту не сможет существовать.

Ещё в 2000 году группа исследователей, в которую входил Крис Грин, высчитала конфигурацию двухатомной ридберговской молекулы рубидия, назвав её трилобитом из-за сходства графического представления её внешней электронной оболочки с древней тварью. На рисунке слева показан этот пространственный график, который отражает вероятность нахождения внешнего валентного электрона в той или иной точке пространства, а справа вы можете увидеть непосредственно трилобита (иллюстрация Greene, Dickinson, Sadeghpour, фото с сайта colorado.edu).

Потребовалось много лет совершенствования техники охлаждения атомов до температуры, близкой к абсолютному нулю, чтобы наконец стало возможным создание такой экзотической молекулы.

Именно это и проделали Бендковски и её коллеги. Вера поясняет: «Ядра атомов должны быть на правильном расстоянии друг от друга, чтобы электронные поля „нашли“ друг друга и начали взаимодействовать. Мы использовали ультрахолодное облако рубидия, в котором по мере снижения температуры атомы газа сближались всё сильнее».

При помощи лазера учёные перевели некоторые из этих атомов в ридберговское состояние. При температуре, очень близкой к нулю, это «критическое расстояние» составило около 100 нанометров.

Эта дистанция между двумя атомами, формирующими молекулу, примерно в 1000 раз больше обычной (десятки и сотни пикометров). Неудивительно, что даже при абсолютном нуле ридберговские молекулы очень нестабильны. Самая долгоживущая из полученных в опыте продержалась 18 микросекунд.

Ещё в 1934 году великий Ферми предсказал, что если один атом встретит «блуждающий» электрон, то сможет взаимодействовать с ним. Но Ферми не дошёл в этом рассуждении до образования молекулы при помощи такого рода сверхслабой связи, поясняет Грин.

Подробности опыта можно найти в

Большинство людей с легкостью назовут три классических состояния вещества: жидкое, твердое и газообразное. Те, кто немножко знает науку, добавит к этим трем еще плазму. Но со временем ученые расширили список возможных состояний вещества свыше этих четырех.

Аморфные и твердые

Аморфные твердые вещества - это довольно интересная подгруппа хорошо известного твердого состояния. В обычном твердом объекте молекулы хорошо организованы и не особо имеют пространство для движения. Это дает твердому веществу высокую вязкость, что является мерой сопротивления текучести. Жидкости, с другой стороны, имеют неорганизованную молекулярную структуру, что позволяет им течь, растекаться, изменять форму и принимать форму сосуда, в котором они находятся. Аморфные твердые вещества находятся где-то между этими двумя состояниями. В процессе витрификации жидкости остывают и их вязкость увеличивается до момента, когда вещество уже не течет подобно жидкости, но его молекулы остаются неупорядоченными и не принимают кристаллическую структуру, как обычные твердые вещества.

Наиболее распространенным примером аморфного твердого вещества является стекло. В течение тысяч лет люди делали стекло из диоксида кремния. Когда стеклоделы охлаждают кремнезем из жидкого состояния, он на самом деле не затвердевает, когда опускается ниже точки плавления. Когда температура падает, вязкость растет, вещество кажется тверже. Однако его молекулы по-прежнему остаются неупорядоченными. И тогда стекло становится аморфным и твердым одновременно. Этот переходный процесс позволил ремесленникам создавать красивые и сюрреалистические стеклянные структуры.

Каково же функциональное различие между аморфными твердыми веществами и обычным твердым состоянием? В повседневной жизни оно не особо заметно. Стекло кажется совершенно твердым, пока вы не изучите его на молекулярном уровне. И миф о том, что стекло стекает с течением времени, не стоит ломаного гроша. Чаще всего этот миф подкрепляется доводами о том, что старое стекло в церквях кажется толще в нижнем части, но обусловлено это несовершенством стеклодувного процесса на момент создания этих стекол. Впрочем, изучать аморфные твердые вещества вроде стекла интересно с научной точки зрения для исследования фазовых переходов и молекулярной структуры.

Сверхкритические жидкости (флюиды)

Большинство фазовых переходов происходит при определенной температуре и давлении. Общеизвестно, что повышение температуры в конечном счете превращает жидкость в газ. Тем не менее когда давление увеличивается вместе с температурой, жидкость совершает прыжок в царство сверхкритических жидкостей, у которых есть свойства как газа, так и жидкости. К примеру, сверхкритические жидкости могут проходить через твердые тела как газ, но также могут выступать в качестве растворителя, как жидкость. Интересно, что сверхкритическую жидкость можно сделать больше похожей на газ или на жидкость, в зависимости от комбинации давления и температуры. Это позволило ученым найти множество применений для сверхкритических жидкостей.

Хотя сверхкритические жидкости не так распространены, как аморфные твердые вещества, вы, вероятно, взаимодействуете с ними так же часто, как со стеклом. Сверхкритический диоксид углерода любят пивоваренные компании за его способность выступать в качестве растворителя при взаимодействии с хмелем, а кофе-компании используют его для производства лучшего кофе без кофеина. Сверхкритические жидкости также использовались для более эффективного гидролиза и чтобы электростанции работали при более высоких температурах. В общем, вы, вероятно, используете побочные продукты сверхкритических жидкостей каждый день.

Вырожденный газ

Хотя аморфные твердые вещества хотя бы встречаются на планете Земля, вырожденное вещество встречается лишь в определенных типах звезд. Вырожденный газ существует, когда внешнее давление вещества определяется не температурой, как на Земле, а сложными квантовыми принципами, в частности принципом Паули. Из-за этого внешнее давление вырожденного вещества будет сохраняться, даже если температура вещества упадет до абсолютного нуля. Известны два основных типа вырожденного вещества: электронно-вырожденное и нейтронно-вырожденное вещество.

Электронно-вырожденное вещество существует в основном в белых карликах. Оно образуется в ядре звезды, когда масса вещества вокруг ядра пытается сжать электроны ядра до низшего энергетического состояния. Однако в соответствии с принципом Паули, две одинаковых частицы не могут быть в одном энергетическом состоянии. Таким образом, частицы «отталкивают» вещество вокруг ядра, создавая давление. Это возможно только если масса звезды меньше 1,44 массы Солнца. Когда звезда превышает этот предел (известный как предел Чандрасекара), она просто коллапсирует в нейтронную звезду или в черную дыру.

Когда звезда коллапсирует и становится нейтронной звездой, у нее больше нет электронно-вырожденного вещества, она состоит из нейтронно-вырожденного вещества. Поскольку нейтронная звезда тяжелая, электроны сливаются с протонами в ее ядре, образуя нейтроны. Свободные нейтроны (нейтроны не связаны в атомном ядре) имеют период полураспада в 10,3 минуты. Но в ядре нейтронной звезды масса звезды позволяет нейтронам существовать за пределами ядер, образуя нейтронно-вырожденное вещество.

Другие экзотические формы вырожденного вещества также могут существовать, в том числе и странная материя, которая может существовать в редкой форме звезд - кварковых звезд. Кварковые звезды - это стадия между нейтронной звездой и черной дырой, где кварки в ядре развязаны и образуют бульон из свободных кварков. Мы пока не наблюдали такой тип звезд, но физики допускают их существование.

Сверхтекучесть

Вернемся на Землю, чтобы обсудить сверхтекучие жидкости. Сверхтекучесть - это состояние вещества, которое существует у определенных изотопов гелия, рубидия и лития, охлажденных до почти абсолютного нуля. Это состояние похоже на конденсат Бозе - Эйнштейна (бозе-эйнштейновский конденсат, БЭК), за несколькими отличиями. Некоторые БЭК сверхтекучи, а некоторые сверхтекучие состояния являются БЭК, но не все они идентичны.

Жидкий гелий известен своей сверхтекучестью. Когда гелий охлажден до «точки лямбда» в -270 градусов по Цельсию, часть жидкости становится сверхтекучей. Если охладить большую часть веществ до определенной точки, притяжение между атомами превосходит тепловые вибрации в веществе, позволяя им образовать твердую структуру. Но атомы гелия взаимодействуют между собой так слабо, что могут оставаться жидкими при температуре почти абсолютного нуля. Получается, при такой температуре характеристики отдельных атомов перекрываются, порождая странные свойства сверхтекучести.

У сверхтекучих веществ нет внутренней вязкости. Сверхтекучие вещества, помещенные в пробирку, начинают ползти вверх по бокам пробирки, казалось бы, нарушая законы гравитации и поверхностного натяжения. Жидкий гелий легко утекает, поскольку может проскользнуть даже через микроскопические отверстия. Сверхтекучесть также обладает странными термодинамическими свойствами. В таком состоянии вещества обладают нулевой термодинамической энтропией и бесконечной теплопроводностью. Это означает, что два сверхтекучих вещества не могут быть термально различны. Если добавить в сверхтекучее вещество тепла, оно проведет его так быстро, что образуются тепловые волны, не свойственные для обычных жидкостей.

Конденсат Бозе - Эйнштейна

Конденсат Бозе - Эйнштейна - это, наверное, одна из самых известных непонятных форм материи. Во-первых, нам нужно понять, что такое бозоны и фермионы. Фермион - это частица с полуцелым спином (например, электрон) или композитная частица (вроде протона). Эти частицы подчиняются принципу Паули, который позволяет существовать электронно-вырожденной материи. Бозон, однако, обладает полным целым спином, и одно квантовое состояние могут занимать несколько бозонов. Бозоны включают любые частицы-переносчики силы (вроде фотонов), а также некоторые атомы, включая гелий-4 и другие газы. Элементы в этой категории известны как бозонные атомы.

В 1920-х годах Альберт Эйнштейн взял за основу работу индийского физика Сатиендра Натх Бозе, чтобы предложить новую форму материи. Оригинальная теория Эйнштейна заключалась в том, что если вы охладите определенные элементарные газы до температуры в доли градуса выше абсолютного нуля, их волновые функции сольются, создав один «сверхатом». Такое вещество будет проявлять квантовые эффекты на макроскопическом уровне. Но только в 1990-х годах появились технологии, необходимые для охлаждения элементов до таких температур. В 1995 году ученые Эрик Корнелл и Карл Виман смогли объединить 2000 атомов в конденсат Бозе - Эйнштейна, который был достаточно большим, чтобы его можно было разглядеть в микроскоп.

Конденсаты Бозе-Эйнштейна тесно связаны со сверхтекучими веществами, но также обладают собственным набором уникальных свойств. Забавно и то, что БЭК может замедлять обычную скорость света. В 1998 году гарвардский ученый Лене Хау смог замедлить свет до 60 километров в час, пропустив лазер через сигарообразный образец БЭК. В более поздних экспериментах группе Хау удалось полностью остановить свет в БЭК, выключив лазер, когда свет проходил через образец. Эти эксперименты открыли новое поле коммуникаций на основе света и квантовых вычислений.

Металлы Яна - Теллера

Металлы Яна - Теллера - это новейшее дитя в мире состояний вещества, поскольку ученым удалось успешно создать их впервые лишь в 2015 году. Если эксперименты подтвердятся другими лабораториями, эти металлы могут изменить мир, так как они обладают свойствами как изолятора, так и сверхпроводника.

Ученые во главе с химиком Космасом Прассидесом экспериментировали, вводя рубидий в структуру молекул углерода-60 (в простом народе известных под фуллеренами), что приводило к тому, что фуллерены принимают новую форму. Этот металл назван в честь эффекта Яна - Теллера, который описывает, как давление может изменять геометрическую форму молекул в новых электронных конфигурациях. В химии давление достигается не только за счет сжатия чего-то, но и за счет добавления новых атомов или молекул в ранее существовавшую структуру, изменяя ее основные свойства.

Когда исследовательская группа Прассидеса начала добавлять рубидий в молекулы углерода-60, молекулы углерода изменялись от изоляторов к полупроводникам. Тем не менее из-за эффекта Яна - Теллера молекулы пытались остаться в старой конфигурации, что создавало вещество, которое пыталось быть изолятором, но обладало электрическими свойствами сверхпроводника. Переход между изолятором и сверхпроводником никогда не рассматривался, пока не начались эти эксперименты.

Интересно в металлах Яна - Теллера то, что они становятся сверхпроводниками при высоких температурах (-135 градусов по Цельсию, а не при 243,2 градуса, как обычно). Это приближает их к приемлемым уровням для массового производства и экспериментов. Если все подтвердится, возможно, мы будем на шаг ближе к созданию сверхпроводников, работающих при комнатной температуре, что, в свою очередь, произведет революцию во многих отраслях нашей жизни.

Фотонное вещество

В течение многих десятилетий считалось, что фотоны - безмассовые частицы, которые не взаимодействуют между собой. Тем не менее за последние несколько лет ученые MIT и Гарварда обнаружили новые способы «наделить» свет массой - и даже создать « молекулы света », которые отскакивают друг от друга и связываются вместе. Некоторые посчитали, что это первый шаг на пути к созданию светового меча.

Наука фотонной материи немного сложнее, но постичь ее вполне возможно. Ученые начали создавать фотонную материю, экспериментируя с переохлажденным рубидиевым газом. Когда фотон простреливает газ, он отражается и взаимодействует с молекулами рубидия, теряя энергию и замедляясь. В конце концов, фотон выходит из облака очень медленным.

Странные вещи начинают происходить, когда вы пропускаете два фотона через газ, что порождает явление, известное как блокада Ридберга. Когда атом возбуждается фотоном, близлежащие атомы не могут возбудиться до такой же степени. Возбужденный атом оказывается на пути фотона. Чтобы атом поблизости мог быть возбужден вторым фотоном, первый фотон должен пройти через газ. Фотоны обычно не взаимодействуют между собой, но встречаясь с блокадой Ридберга, они толкают друг друга через газ, обмениваясь энергией и взаимодействуя между собой. Снаружи кажется, что у фотонов есть масса и они действуют как единая молекула, хотя остаются на самом деле безмассовыми. Когда фотоны выходят из газа, они кажутся соединившимися, подобно молекуле света.

Практическое применение фотонной материи пока остается под вопросом, но оно, безусловно, будет найдено. Возможно, даже в световых мечах.

Неупорядоченная сверходнородность

Пытаясь определить, находится ли вещество в новом состоянии, ученые смотрят на структуру вещества, а также на его свойства. В 2003 году Сальваторе Торквато и Фрэнк Стиллинджер из Принстонского университета предложили новое состояние вещества, известное как неупорядоченная сверходнородность. Хотя это словосочетание выглядит оксюмороном, в своей основе оно предполагает новый тип вещества, которое кажется неупорядоченным при ближайшем рассмотрении, но сверходнородным и структурированным издалека. Такое вещество должно обладать свойствами кристалла и жидкости. На первый взгляд, такое уже есть в плазмах и жидком водороде, но недавно ученые обнаружили природный пример там, где никто не ожидал: в курином глазу.

У кур есть пять колбочек в сетчатке. Четыре обнаруживают цвет и одна отвечает за уровни света. Однако, в отличие от человеческого глаза или шестиугольных глаз насекомых, эти колбочки рассредоточены случайно, не имеют реального порядка. Происходит это потому, что колбочки в глазу курицы имеют зоны отчуждения вокруг, а те не позволяют двум колбочкам одного типа находиться рядом. Из-за зоны отчуждения и формы колбочек они не могут образовывать упорядоченные кристаллические структуры (как в твердых веществах), но когда все колбочки рассматриваются как одно целое, оказывается, что они имеют высокоупорядоченный узор, как видно на изображениях Принстона ниже. Таким образом, мы можем описать эти колбочки в сетчатке куриного глаза как жидкость при ближайшем рассмотрении и как твердое вещество при взгляде издалека. Это отличается от аморфных твердых тел, о которых мы говорили выше, поскольку этот сверходнородный материал будет выступать как жидкость, а аморфное твердое тело - нет.

Ученые до сих пор исследуют это новое состояние вещества, поскольку оно, ко всему прочему, может быть более распространенным, чем считалось изначально. Сейчас ученые Принстонского университета пытаются приспособить такие сверходнородные материалы для создания самоорганизующихся структур и детекторов света, которые реагируют на свет с определенной длиной волн.

Струнные сети

Каким состоянием вещества является космический вакуум? Большинство людей не задумываются об этом, но в последние десять лет Сяо Ган-Вэнь из Массачусетского технологического института и Майкл Левин из Гарварда предложили новое состояние вещества, которое могло бы привести нас к открытию фундаментальных частиц после электрона.

Путь к разработке модели струнно-сетевой жидкости начался в середине 90-х годов, когда группа ученых предложила так называемые квазичастицы, которые, казалось, появились в эксперименте, когда электроны проходили между двумя полупроводниками. Возник переполох, поскольку квазичастицы действовали так, будто бы обладали дробным зарядом, что казалось невозможным для физики того времени. Ученые проанализировали данные и предположили, что электрон является не фундаментальной частицей Вселенной и что существуют фундаментальные частицы, которых мы пока не обнаружили. Эта работа принесла им Нобелевскую премию, но позже выяснилось, что в результаты их работы закралась ошибка в эксперименте. О квазичастицах благополучно забыли.

Но не все. Вэнь и Левин взяли за основу идею квазичастиц и предложили новое состояние вещества, струнно-сетевое. Основным свойством такого состояния является квантовая запутанность. Как и в случае с неупорядоченной сверходнородностью, если вы с близкого расстояния взглянете на струнно-сетевое вещество, оно будет похоже на неупорядоченный набор электронов. Но если взглянуть на него как на цельную структуру, вы увидите высокую упорядоченность из-за квантово-запутанных свойств электронов. Вэнь и Левин затем расширили свою работу, чтобы охватить другие частицы и свойства запутанности.

Проработав компьютерные модели для нового состояния вещества, Вэнь и Левин обнаружили, что концы струн-сетей могут производить разнообразные субатомные частицы, включая легендарные «квазичастицы». Еще большим сюрпризом стало то, что при вибрации струнно-сетевого вещества оно делает это в соответствии с уравнениями Максвелла, отвечающими за свет. Вэнь и Левин предположили, что космос наполнен струнными сетями запутанных субатомных частиц и что концы этих струн-сетей представляют собой субатомные частицы, которые мы наблюдаем. Также они предположили, что струнно-сетевая жидкость может обеспечивать существование света. Если космический вакуум заполнен струнно-сетевой жидкостью, это может позволить нам объединить свет и материю.

Все это может показаться очень надуманным, но в 1972 году (за десятки лет до струнно-сетевых предложений) геологи обнаружили в Чили странный материал - гербертсмитит. В этом минерале электроны образуют треугольные структуры, которые, похоже, противоречат всему, что мы знаем о взаимодействии электронов друг с другом. Кроме того, эта треугольная структура была предсказана в рамках струнно-сетевой модели, и ученые работали с искусственным гербертсмититом, чтобы точно подтвердить модель.

Кварк-глюонная плазма

Говоря о последнем состоянии вещества в этом списке, рассмотрим состояние, с которого все началось: кварк-глюонная плазма. В ранней Вселенной состояние материи существенно отличалось от классического. Для начала немного предыстории.

Кварки - это элементарные частицы, которые мы находим внутри адронов (например, протонов и нейтронов). Адроны состоят либо из трех кварков, либо из одного кварка и одного антикварка. Кварки имеют дробные заряды и скрепляются глюонами, которые являются частицами обмена сильного ядерного взаимодействия.

Мы не видим свободные кварки в природе, но сразу после Большого Взрыва в течение миллисекунды свободные кварки и глюоны существовали. В течение этого времени температура Вселенной была настолько высокой, что кварки и глюоны двигались почти со скоростью света. Во время этого периода Вселенная состояла целиком и полностью из этой горячей кварк-глюонной плазмы. Спустя другую долю секунды Вселенная остыла достаточно, чтобы образовались тяжелые частицы вроде адронов, а кварки начали взаимодействовать между собой и глюонами. С этого момента началось образование известной нам Вселенной, и адроны начали связываться с электронами, создавая примитивные атомы.

Уже в современной Вселенной ученые пытались воссоздать кварк-глюонную плазму в больших ускорителях частиц. В процессе этих экспериментов тяжелые частицы вроде адронов сталкивались друг с другом, создавая температуру, при которой кварки отделялись на короткое время. В процессе этих экспериментов мы узнали много нового о свойствах кварк-глюонной плазмы, в которой совершенно отсутствовало трение и которая была больше похожа на жидкость, чем обычная плазма. Эксперименты с экзотическим состоянием материи позволяют нам узнавать много нового о том, как и почему наша Вселенная образовалась такой, какой мы ее знаем.

Ноя 15, 2017 Геннадий

В Бозе-Эйнштейновском конденсате атомов стронция-84 могут возникать поляроны, представляющие собой ридберговские атомы, окруженные облаком упругих деформаций. Этот эффект увидели на практике и обосновали теоретически физики из Австрии и США. Статья опубликована в Physical Review Letters , препринт работы выложен на сайте arXiv.org.

Когда медленный электрон движется сквозь диэлектрик, он взаимодействует с его атомами и деформирует (поляризует) решетку. При перемещении электрона область деформаций смещается вместе с ним, и получается, будто электрон постоянно окружен облаком фононов . Более того, оказывается, что получившаяся обладает квадратичным спектром, то есть имеет некоторую эффективную массу (она немного больше массы «обычного» электрона-квазичастицы). Такая квазичастица называется поляроном . Не следует путать эту квазичастицу с поляритоном , возникающим при взаимодействии фотонов с элементарными возбуждениями среды (фононами, экситонами, плазмонами, магнонами и так далее).

Поляроны возникают не только в диэлектриках, но и в металлах, полупроводниках, ионных кристаллах и даже ферромагнетиках (смотри «мешок Нагаоки»), а в качестве «ядра» полярона может выступать не только электрон, но и другая заряженная неоднородность. Разумеется, свойства поляронов в разных материалах отличаются. Поляроны играют важную роль для объяснения проводимости ионных кристаллов и полярных полупроводников, спинового переноса в органических полупроводниках и оптического поглощения двумерных материалов.

В этой статье группа ученых под руководством Томаса Киллиана (Thomas Killian) сообщает о спектроскопических наблюдениях ридберговских поляронов в атомов стронция-84. В таких поляронах в качестве «ядра» выступает ридберговский атом - атом, в котором электрон очень сильно возбужден, то есть находится на уровне с очень большим значением главного квантового числа . В результате внутреннюю часть атома можно рассматривать как эффективную частицу с единичным положительным зарядом и большой массой, а в целом атом сильно напоминает обычный атом водорода.

Для начала исследователи приготовили бозе-конденсат, удерживая облако атомы стронция с помощью лазерных лучей (оптически-дипольная ловушка) и охлаждая его до температуры порядка 150 нанокельвинов. Среднее расстояние между соседними атомами в таком конденсате составляло примерно 80 нанометров. Затем ученые ионизировали атомы с помощью коротких (порядка микросекунды) вспышек лазеров с длиной волны 689 и 319 нанометров. В результате один из электронов внешней оболочки атома стронция переходил с s -орбитали на p -орбиталь, а потом перескакивал на s -орбиталь более высокой n -ой оболочки. Наконец, ученые измерили линейный отклик бозе-конденсата, то есть нашли, как амплитуды перехода между основным (невозбужденным) и возбужденным состояниями зависит от частоты возбуждения. В результате исследователи получили, что на низких частотах отклик растет согласно с распределением Гаусса (заштрихованные области на рисунке), а при достижении максимума спектр становится практически постоянным.

Зависимость линейного отклика от частоты возбуждения для различных значений главного квантового числа n ридберговоского атома, образующего полярон. Линиями отмечена теоретически рассчитанная зависимость, точками - экспериментальные данные

F. Camargo et al. / Phys. Rev. Lett.

Также ученые численно исследовали конденсат атомов стронция, чтобы объяснить возникновение поляронов. Действительно, выписывая и диагонализуя гамильтониан ридберговского атома, помещенного в бозе-конденсат, можно получить спектр поляронов (гамильтониан Фрёлиха , Fröhlich Hamiltonian). Для этого физики использовали разработанный ранее подход, основанный на вычислении функциональных детерминантов (functional determinant approach, FDA). Вычисленная теоретически зависимость хорошо объясняла экспериментальные данные, причем ее гауссовая часть отвечала образованию поляронов.

Вообще говоря, обычно физики работают с бозе-конденсатом атомов рубидия-87, и раньше авторы статьи уже пытались разглядеть в нем поляроны. Однако из-за особенностей электронных оболочек ( -wave shape resonance) спектр поглощения ридберговских атомов рубидия сильно зависит от номера уровня n , на котором находится электрон, и это мешает распознать в экспериментальных данных резонансы, отвечающие поляронам. В конденсате атомов стронция-84 такие проблемы не возникают.

В конце прошлого года швейцарские физики из Института квантовой электроники в бозе-конденсате атомов рубидия-87 хиггсовскую и голдстоуновскую моду колебаний, хотя обычно одна из этих мод бывает подавлена. Для этого они удерживали конденсат с помощью лазерных пучков и следили за возникающими в нем возбуждениями с помощью брэгговской спктроскопии.

Дмитрий Трунин

План:

Введение

• 1 Свойства ридберговских атомов
  • 1.1 Дипольная блокада ридберговских атомов
• 2 Направления исследования и возможные применения
Примечания

Введение

Ри́дберговские а́томы (названы в честь Й. Р. Ридберга) - атомы щелочных металлов, у которых внешний электрон находится в высоковозбужденном состоянии (вплоть до уровней n ~ 100 ). Для перевода атома из основного в возбужденное состояние его облучают резонансным лазерным светом или инициируют радиочастотный разряд. Размер ридберговского атома значительно превышает размер того же самого атома находящегося в основном состоянии почти в 10000 раз для n=100, (см. ниже таблицу).

1. Свойства ридберговских атомов

Электрон, вращающийся на орбите радиуса r вокруг ядра, по второму закону Ньютона испытывает силу:

где k = 1/(4πε 0), e - заряд электрона.

Орбитальный момент в единицах ħ равен:

Из этих двух уравнений получим выражение для орбитального радиуса электрона, находящегося в состоянии "n"

Схема лазерного возбуждения атома рубидия в ридберговское состояние

Энергия связи такого водородоподобного атома равна

где Ry = 13.6 эВ есть постоянная Ридберга, а δ дефект заряда ядра, который при больших n несущественен. Разница энергий между n -м и n+1 -м уровнями энергии примерно равна

Характерный размер атома r n и типичный квазиклассический период обращения электрона равны

где a B = 0.5×10 −10 м - боровский радиус, а T 1 ~ 10 −16 с .

Сравним некоторые числа основного и ридберговского состояний атома водорода .

1.1. Дипольная блокада ридберговских атомов

При возбуждении атомов из основного состояния в ридберговское происходит интересное явление получившие название дипольная блокада. В рязряженном атомном паре расстояние между атомами, находящимся в основном состоянии, велико и взаимодействия между атомами практически нет. Однако, при возбуждении атомов в ридберговское состояние их радиус орбиты увеличивается в n 2 до ~1 мкм. В результате атомы "сближаются", взаимодействие между ними значительно увеличивается, что вызывает смещение энергии состояний атомов. К чему это приводит? Предположим, что слабым импульсом света удалось возбудить только один атом из основного в риберговское состояние. Попытка заселить тот же уровень другим атомом из-за "дипольной блокады" становится заведомо невозможной .

2. Направления исследования и возможные применения

Исследования, связанные с ридберговскими состояниями атомов можно условно разбить на две группы: изучение самих атомов и использование их свойств для прочих целей.

Фундаментальные направления исследования:

• Из нескольких состояний с большими n можно составить волновой пакет, который будет более-менее локализован в пространстве. Если при этом большим будет и орбитальное квантовое число, то мы получим почти классическую картинку: локализованное электронное облако вращается вокруг ядра на большом расстоянии от него.
• Если орбитальный момент мал, то движение такого волнового пакета будет квази-одномерным : электронное облако будет удаляться от ядра и снова приближаться к нему. Это аналог сильно вытянутой эллиптической орбиты в классической механике при движении вокруг Солнца.
• Поведение ридберговского электрона во внешних электрических и магнитных полях. Обычные электроны, находящиеся близко к ядру, в основном чувствуют сильное электростатическое поле ядра (порядка 10 9 В/см ), а внешние поля для них играют роль лишь мелких добавок. Ридберговский электрон чувствует сильно ослабленное поле ядра (E ~ E 0 /n 4 ), и потому внешние поля могут кардинально исказить движение электрона.
• Интересными свойствами обладают атомы с двумя ридберговскими электронами, причем один электрон «крутится» вокруг ядра на большем расстоянии, чем другой. Такие атомы называются планетарными .
• По одной из гипотез, из ридберговского вещества состоит шаровая молния.

Необычные свойства ридберговских атомов уже находят свои применения

• Квантовые детекторы радиоизлучения: ридберговские атомы могут зарегистрировать даже единичный фотон в радиодиапазоне, что далеко за пределами возможностей обычных антенн.
• Ступенчатый спектр энергий ридберговского электрона служит «энергетическим разновесом», который можно использовать при аккуратном измерении энергий.
• Ридберговские атомы наблюдаются также и в межзвездной среде. Они являются очень чувствительными датчиками давления, созданным для нас самой природой.

В 2009 году исследователями из университета Штутгарта удалось получить Ридберговскую молекулу .

Примечания

1. W. Demtroder Laser Spectroscopy: Basic Concepts & Instrumentation. - Springer, 2009. - 924 с. - ISBN 354057171X
2. R. Heidemann et al. (2007). «Evidence for Coherent Collective Rydberg Excitation in the Strong Blockade Regime - link.aps.org/abstract/PRL/v99/e163601». Physical Review Letters 99 (16): 163601. DOI:10.1103/PhysRevLett.99.163601 - dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.99.163601. arΧiv:quant-ph/0701120 - arxiv.org/abs/quant-ph/0701120.
3. Cohesion in ball lightning - scitation.aip.org/journals/doc/APPLAB-ft/vol_83/iss_11/2283_1.html
4. membrana.ru «Впервые в мире получена молекула Ридберга» - www.membrana.ru/lenta/?9250