Kaiserslauterer fyzikové mění atomovou interakci v ultrastudené hmotě

Obrázek zobrazuje ultrastudenou mrak z atomů rubidia (červená) v experimentu na TUK. (Foto: TUK/AG Ott)

Fyzici z Technické univerzity Kaiserslautern (TUK) pod vedením profesora Dr. Herwiga Otta poprvé dokázali změnit interakci mezi dvěma atomy v ultrazkavlé hmotě pomocí takzvaných Rydbergových molekul. Tyto nedávno objevené velké molekuly se skládají pouze ze dvou atomů, jejichž vazebný mechanismus nelze popsat běžnými chemickými modely. Mají výjimečné vlastnosti, například velkou vazebnou délku. Studie byla nyní zveřejněna v prestižním odborném časopise „Nature Communications“.

Interakce jsou základními staviteli našeho světa. Nejen v sociálním životě, ale i v hmotě, která nás obklopuje. Již na začátku 20. století fyzik Ernest Rutherford zjistil, že i zlato je z více než 99 procent tvořeno ničím. Teprve interakce jednotlivých částic činí hmotu tím, čím je. Zajišťují, že náš svět je uvnitř pohromadě.

Toto platí nejen pro náš každodenní svět, ale i pro svět kvantové fyziky. Abychom zkoumali kvantové jevy, fyzici často používají ultrazkavé atomové plyny. „Při tom panují teploty kolem absolutní nuly, přibližně -273 stupňů Celsia,“ říká profesor Dr. Herwig Ott, který na TUK zkoumá ultrazkavé kvantové plyny a kvantovou atomovou optiku. „Chování atomových plynů je určováno interakcí mezi atomy.“ Experti v této souvislosti také mluví o kvantově mechanickém rozptylovém procesu. „Pro vědu jsou takové plyny při zkoumání kvantově mechanických efektů velmi důležité, protože tyto interakce lze v laboratoři měnit,“ pokračuje profesor.

U hmoty, která nás obklopuje v každodenním životě, to obvykle neplatí. „Voda v sklenici například má vždy stejnou interakci a otázka, jaké by byly vlastnosti vody, kdyby se molekuly vody dvojnásobně přitahovaly, nelze experimentálně zodpovědět,“ říká fyzik.

Vědcům kolem profesora Otta se nyní poprvé podařilo změnit interakci mezi ultrazkavými atomy pomocí takzvaných Rydbergových molekul. Myšlenka pokusu: dva atomy, které se srazí, jsou krátkodobě přeměněny laserovým paprskem do stavu odpovídajícího molekule. „Tím stráví déle čas blízko sebe,“ vysvětluje profesor. „To mění kvantově mechanický rozptylový proces mezi těmito dvěma atomy a tím i jejich interakci.“

Ve svém experimentu to nyní mohli vědci z Kaiserslauternu pozorovat: z dvou atomů rubidia „sestavili“ Rydbergovu molekulu. Tento typ molekul byl objeven teprve před několika lety. Jedná se o molekuly, které mohou být stejně velké jako viry, ale skládají se pouze ze dvou atomů. Obvykle jsou molekuly složené ze dvou atomů mnohem menší. Na rozdíl od dříve známých vazeb, kdy například dva atomy sdílejí elektron, zde působí jiný mechanismus: elektron má k jádru atomu pouze velmi slabou vazbu a nachází se na vnější elektronové dráze, je ve stavu zvaném Rydbergův stav. Druhý atom nyní prožívá kvantově mechanickou interakci s elektronem a vzniká slabá vazba mezi oběma atomy.

„Tyto molekuly se vyznačují řadou výjimečných vlastností,“ říká profesor, „například jejich extrémně velkou vazebnou délku několika stovek nanometrů a jejich velmi velké elektrické dipólové momenty.“ Pod tím si věda představuje fakt, že molekuly mohou mít prostorově oddělené kladné a záporné náboje.

Výsledky vědců z Kaiserslauternu umožňují jednak změnit interakci v téměř každém ultrazkavém plynu. Jednak také otevírají nové možnosti použití, například přímou kontrolu interakcí více částic. „Ale také je možné indukovat interakce s delší dosahovou vzdáleností, než bylo dosud možné,“ uvádí fyzik jako další příklad. „To by v budoucnu mohlo umožnit realizaci nových stavů hmoty v ultrazkavých plynech.“

Studie byla zveřejněna v prestižním odborném časopise „Nature Communications“: „Experimentální realizace Rydbergovy optické Feshbachovy rezonance v kvantovém mnohajádrovém systému“; O. Thomas, C. Lippe, T. Eichert & H. Ott
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-018-04684-w

Práce byla financována Landesforschungszentrum Optik und Materialwissenschaften, zkráceně OPTIMAS, doktorskou školou „Materials science IN MainZ“ (MAINZ) a dvěma zvláštními výzkumnými oblastmi „Condensed Matter Systems with Variable Many-Body Interactions“ a „OSCAR - Open System Control of Atomic and Photonic Matter“.