Nová studie: Fyzici identifikují energetické stavy jednotlivých atomů po srážce

Profesor Herwig Ott (vlevo) a Philipp Geppert výzkumují na TU Kaiserslautern ultrastudené kvantové plyny a kvantovou atomovou optiku. (Foto: Koziel/TUK)

Profesor Herwig Ott (vlevo) a Philipp Geppert si speciálně vyvinuli mikroskop, pomocí kterého přímo měřili impulzy atomů. (Foto: Koziel/TUK)

Fyzikům z Technické univerzity Kaiserslautern pod vedením profesora Dr. Herwiga Otta se poprvé podařilo pozorovat srážky mezi vysoce excitovanými atomy, takzvanými Rydbergovými atomy, a atomy v základním stavu. To je zvláštní: dokážou přesně identifikovat energetické stavy jednotlivých atomů. Dosud to nebylo možné. Výzkumníci proto vyvinuli speciální mikroskop, kterým přímo měřili impulzy atomů. Pozorované procesy jsou důležité pro pochopení mezihvězdného plazmatu a ultrachladných plazmat v laboratoři. Studie byla publikována v prestižním odborném časopise „Nature Communications“.

Ve svém experimentu fyzikové použili mrak atomů rubidia, který byl v ultra vysokém vakuu ochlazen na přibližně 100 mikrokelvinů – tedy 0,0001 stupně nad absolutní nulou. Některé z těchto atomů následně pomocí laserů vzbudili do takzvaného Rydbergova stavu. „Při tom je nejvzdálenější elektron přenesen na vzdálené dráhy kolem jádra atomu,“ vysvětluje profesor Herwig Ott, který na TU Kaiserslautern zkoumá ultrachladé kvantové plyny a kvantovou atomovou optiku. „Poloměr dráhy elektronu může být více než jeden mikrometr a elektronová mlha je tak větší než malé bakterie.“ Takové vysoce excitované atomy vznikají i ve vesmíru v mezihvězdném prostoru a jsou chemicky velmi reaktivní.

Když se nyní setkají Rydbergův atom a atom v základním stavu, dojde ke takzvané inelastické srážce. „Při tom atom v základním stavu hluboce pronikne do orbitu Rydbergova elektronu,“ pokračuje. Následující molekulární dynamika obou atomů je velmi složitá a vede k jejich oddělení, přičemž se změní oběžná dráha elektronu.

„Při této změně stavu se může změnit jak hlavní kvantové číslo, tak i kvantové číslo momentu hybnosti elektronu,“ říká Philipp Geppert, který je prvním autorem studie. Dále vysvětluje: „Z rozložení těchto konečných stavů nyní můžeme získat nové poznatky o atomárních srážkových procesech, při nichž jsou důležité jak velké, tak malé internukleární vzdálenosti.“

Elektron v Rydbergově stavu se při tomto konečném stavu vrací na dráhu blíže jádru atomu. Při tom se uvolní energie. Ta je přenášena ve formě kinetické energie na oba zúčastněné atomy, které se v důsledku zákona zachování hybnosti pohybují opačnými směry.

Tento pohyb lze nyní sledovat pomocí impulzního mikroskopu, který vědci vyvinuli speciálně pro tento experiment. Základní princip je poměrně jednoduchý: neutrální atomy jsou ionizovány laserovým pulzem a pomocí slabého elektrického pole jsou směrovány na citlivý detektor. Místo dopadu závisí na počáteční rychlosti atomů a tak odhaluje jejich impuls. Mikroskop dokáže rozlišit i nejmenší rozdíly ve rychlosti, což umožňuje přesně určit konečné stavy jednotlivých atomů.

Získané poznatky pomáhají pochopit základní atomární procesy v plazmatu. Jde o směs různých částic, jako jsou elektrony, ionty, atomy a molekuly. V výzkumu hraje plazma důležitou roli například při zkoumání vzájemných interakcí mezi částicemi. Protože se vyskytuje i ve vesmíru, mohou výsledky z laboratoře být relevantní pro astrofyziku, například pro lepší pochopení chemických a fyzikálních procesů v mezihvězdném prostoru.

Práce na této studii probíhaly v rámci hlavního programu „Giant Interactions in Rydberg Systems“, který je financován Německou výzkumnou společností. Byly prováděny v profilové oblasti OPTIMAS (Landesforschungszentrum für Optik und Materialwissenschaften), která je od roku 2008 součástí výzkumné iniciativy spolkové země.

Výsledky měření a popis experimentálního uspořádání jsou publikovány v prestižním odborném časopise „Nature Communications“: „Diffusive-like redistribution in state-changing collisions between Rydberg atoms and ground state atoms“; Philipp Geppert, Max Althön, Daniel Fichtner & Herwig Ott
https://www.nature.com/articles/s41467-021-24146-0
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-021-24146-0

Odpovědi na otázky:

Prof. Dr. Herwig Ott
Fachgebiet Ultrakalte Quantengasen und Quantenatomoptik / TU Kaiserslautern
Tel.: 0631 205-2817
E-Mail: ott@physik.uni-kl.de