Tým vědců z TU Kaiserslautern odhalil mechanismy atomárního přenosu energie v kvantovém světě

Ultrazvuková atomová oblak z rubidiových atomů, které se používají v tomto experimentu: Je vidět fluorescenci, která vzniká během laserového osvitu. (Foto: AG Ott/TUK)

Transport energie mezi atomy a molekulami je základem veškerého života. Je založen na mezotlivých silách, takzvané dipól-dipólové interakci. Výzkumná skupina prof. Dr. Herwiga Otta na Technické univerzitě Kaiserslautern (TUK) se nyní podařilo zrekonstruovat takovýto mechanismus přenosu v neuspořádaném systému. K tomu vědci experimentálně pozorovali kvantověmechanickou interakci mezi různými Rydbergovými atomy. Tak mohli sledovat vliv neuspořádanosti na rozložení a mobilitu excitované energie mezi atomy. Výsledky zveřejnil odborný časopis „Nature Communications“.

Jak probíhá přenos energie mezi atomy a molekulami, ukazuje například fotosyntéza: když dopadne světlo na buňku, nejprve je jeho energie absorbována jedním molekulou a poté přenášena mezi mnoha dalšími neuspořádanými molekulami. Pokud toto balení energie nakonec dorazí do takzvaného reakčního centra, dochází k trvalému uložení ve formě chemické přeměny.

Pro lepší pochopení takovýchto přenosových mechanismů zvolilo výzkumné uskupení zvláštní experimentální přístup a proniklo do kvantového režimu: „Překonali jsme několik technologických výzev,“ vysvětluje Carsten Lippe, hlavní autor studie. „To již ukazuje pohled na nutné rámcové podmínky: při okolním tlaku, který je asi 1000krát nižší než ve vesmíru kolem ISS, a při teplotách blízkých absolutní nule jsou některé atomy excitovány laserovým zářením a přemístěny do takzvaného Rydbergova stavu. V tomto stavu, kdy je elektron přenesen na vzdálenou oběžnou dráhu kolem jádra atomu, je atom asi 10 000krát větší než v normálním stavu.“

Touto obrovskou velikostí je atom v Rydbergově stavu velmi citlivý na jiné takové atomy a umožňuje tak experimentálně zkoumat interakce mezi atomy, které by se jinak odehrávaly na mnohem menších vzdálenostech.

V rámci svého experimentu vědci pomocí různých laserových systémů postupně vytvořili dva různé typy Rydbergových atomů a zkoumali přenos energie mezi nimi. Při tom narazili na kvantověfyzikální jevy, které odporují naší běžné představě. „Klasicky si lze takovýto přenosový proces představit jako skákací proces. Energie nebo excitace přeskakuje mezi molekulami tam a zpět. V kvantové fyzice je to však jinak díky takzvanému principu superpozice: například může být excitace současně na několika molekulách a tím je přenos v systému mnohem efektivnější. Mluvíme pak o koherentním přenosu,“ říká Ott.

Vědci mohli ukázat, že podíl klasického skákání a koherentního přenosu lze v experimentu řízeně nastavovat. To se děje pomocí drobných změn vlnové délky použitých excitujících laserů. „Obvykle jsou kvantověfyzikální jevy křehké a mizí, jakmile jsou přítomny rušivé vlivy, například v systému způsobené atomovou neuspořádaností v plynu,“ říká Thomas Niederprüm, který spolu s Ottem vedl práci. „To, že se tyto jevy v této studii podařilo pozorovat, může pomoci lépe pochopit jiné složité systémy. Přitom lze interakci mezi Rydbergovými atomy přenést na jiné oblasti aktuálního výzkumu, například na absorpci a přenos světla v molekulách při fotosyntéze. Nejnovější studie ukázaly, že i při fotosyntéze hrají kvantověfyzikální jevy důležitou roli a přenos energie probíhá i přes neuspořádanost překvapivě bez ztrát.“

Tato práce byla součástí projektu Sonderforschungsbereich OSCAR („Otevřená kontrola atomových a fotonických systémů“), který TUK společně s Univerzitou v Bonnu financuje Německá výzkumná společnost. Výsledky měření a simulací a popis experimentálního uspořádání jsou zveřejněny v prestižním odborném časopise „Nature Communications“:

„Experimentální realizace 3D modelu náhodného skákání“; Carsten Lippe, Tanita Klas,
Jana Bender, Patrick Mischke, Thomas Niederprüm & Herwig Ott. Anglický článek je volně dostupný.
DOI: doi.org/10.1038/s41467-021-27243-2

Otázky zodpovídá:
Prof. Dr. Herwig Ott
Fakulta ultrastudených kvantových plynů a kvantové atomové optiky / TU Kaiserslautern
Tel.: 0631 205-2817
E-mail: ott@physik.uni-kl.de