Гигантски атом поглъща квантов газ

Физиците наблюдават ново квантово явление

Силно възбуден атом на Ридберг, състоящ се от единичен електрон (син), обикалящ в орбита с положително заредено ядро ​​(червено). Атомът на Райдберг достига размера на ултра студения атомен облак. Единичният електрон генерира вибрации (фонони) в околния квантов газ. © Университетът в Щутгарт, Пети физически институт
чете на глас

Един атом, по-голям от повечето бактерии: немските физици са създали един атом с размер на няколко микрона. В своята електронна обвивка тя съдържа десетки хиляди нормални атоми. Гигантският атом служи като моделна система, в която може да се изследва взаимодействието на единичен електрон с много атоми. Разбирането на взаимодействието на електроните с материята е от съществено значение за решаването на основни въпроси и технически проблеми. Резултатите бяха публикувани от работната група от Щутгарт в списанието Nature публикувано.

Взаимодействието с електроните определя свойства

Специфичните свойства на различните материали се основават по същество на взаимодействието на електроните със средата им. Пример за това е електрическата проводимост: електроните се сблъскват с атомите на околния материал и по този начин стимулират звуковите вълни, така наречените фонони. Тези вибрации позволяват на електрон да освободи енергия и да се забави, причинявайки електрическо съпротивление.

Най-подходящ за систематично изследване на такива процеси е единичен електрон. Отрицателно заредените електрони се улавят в природата от положително заредено ядро. Според класическата картина тези атомни орбити са орбитирани на елиптични орбити, които напомнят орбитата на планетите около слънцето. Въпреки това, орбитите на електрон, орбитала, обикновено са много по-малки от нанометър. Един нанометър е една милионна част от милиметъра.

Атомът, надут с лазер

Но как давате възможност на един електрон да взаимодейства с много атоми, а не само с атомното ядро, което орбитира? За тази цел физиците от университета в Щутгарт изследвали облак от 100 000 ултра студени атома близо до абсолютна нула, така наречения кондензат Бозе-Айнщайн. Изследователите стимулираха един атом в този ултра охладен облак с помощта на лазерна светлина. Чрез така доставената енергия орбиталата на един единствен електрон се надува до няколко микрона: Тя създава така наречения Райдбергов атом. Това е - в атомен мащаб - с огромни размери, няколко хиляди пъти по-големи, отколкото преди лазерното възбуждане.

Той е дори по-голям от повечето бактерии, всяка от които се състои от милиарди до милиарди атоми. Въпреки атомното, почти астрономическо разстояние между електрона и атомното ядро, той все още е свързан атом. За да останем с образа на планетите: дори най-отдалечените, които обикалят около Слънцето, все още принадлежат към нашата Слънчева система. показ

В рамките на орбиталите, "орбитата" на електрона и по този начин вътре в атома на Райдберг, има няколко десетки хиляди други атоми от студения облак. „Сякаш гигантският атом е погълнал квантовия газ“, обяснява Джонатан Балевски, докторант от 5-ия физически институт. Електронът се заключва в определен обем едновременно и въпреки това може да взаимодейства с голям брой атоми. Това взаимодействие е толкова силно, че единичният електрон може да засегне целия атомен облак. В зависимост от квантовото състояние на този електрон се възбуждат фонони в атомния облак, които могат да бъдат измерени като колективни трептения на целия облак. Той дори може да изхвърли атомите от облака.

Илюстрация на отделни възможни електрони

Предишните експериментални наблюдения в Щутгартската група на Тилман Пфау могат да бъдат обяснени до голяма степен в сътрудничество с теоретичните физици на Ханс Питър Б'члер. Тази работа обаче е отправна точка за цяла поредица от допълнителни експерименти. Според предишни изследвания електронът оставя ясна следа в околния атомен облак. Така например, изобразяването на единичен електрон в добре дефинирано квантово състояние би било технически възможно.

(Nature, 2013; doi: 10.1038 / nature12592)

(Университет в Щутгарт, 31.10.2013 г. - AKR)