Új tanulmány: A fizikusok azonosítják az egyes atomok energiaszintjeit ütközés után

Professor Herwig Ott (balra) és Philipp Geppert az Kaiserslautern Műszaki Egyetemen ultranagy hideg kvantumgázokkal és kvantumatom-optikával foglalkoznak. (Fotó: Koziel/TUK)

Professzor Herwig Ott (balra) és Philipp Geppert kifejezetten egy speciális mikroszkópot fejlesztett ki, amellyel közvetlenül mérhették az atomok impulzusait. (Fotó: Koziel/TUK)

Technikai Egyetem Kaiserslautern fizikusai, Herwig Ott professzor vezetésével, először sikerült megfigyelniük az erősen gerjesztett atomok, úgynevezett Rydberg-atomok, és az alapállapotú atomok közötti ütközéseket. A különlegesség: pontosan képesek az egyes atomok energiaszintjeit azonosítani. Ez eddig nem volt lehetséges. Ennek érdekében a kutatók kifejlesztettek egy speciális mikroszkópot, amellyel közvetlenül mérni tudták az atomok impulzusát. A megfigyelt folyamatok fontosak az intersztelláris plazma és laboratóriumban előállított ultrahideg plazmák megértéséhez. A tanulmány a neves szakfolyóiratban, a „Nature Communications”-ben jelent meg.

Kísérletük során a fizikusok egy rubídiumatomokból álló felhőt használtak, amelyet ultrahideg vákuumban, mintegy 100 mikrokelvinre – azaz 0,0001 fokkal az abszolút nullapont felett – hűtöttek le. Néhány ilyen atomot ezután lézerekkel gerjesztettek egy ún. Rydberg-állapotba. „Ebben az esetben az atom legkülső elektronját távoli pályákra viszik el az atommag körül” – magyarázza Herwig Ott professzor, aki az TU Kaiserslauternben ultrahideg kvantégéseken és kvantumatom-optikán dolgozik. „Az elektron pályájának sugara több mint egy mikrométer lehet, és az elektronfelhő nagyobb lesz, mint egy kis baktérium.” Ilyen magas gerjesztésű atomok keletkeznek az űrben, az intersztelláris térben, és kémiailag rendkívül reaktívak.

Amikor egy Rydberg-atom és egy alapállapotú atom találkozik, inelasztikus ütközés történik. „Ebben az esetben az alapállapotú atom mélyen belemerül a Rydberg-elektron pályájába” – folytatja. A két atom molekuláris dinamikája rendkívül összetett, és a szétválásukhoz vezet, miközben az elektron pályája megváltozik.

„Ebben az állapotváltozásban mind a főkvantumszám, mind a forgási kvantumszám megváltozhat” – mondja Philipp Geppert, a tanulmány első szerzője. Tovább magyarázza: „Az ezen végső állapotok eloszlásából új ismereteket nyerhetünk az atomokra ható ütközési folyamatokról, amelyekben mind nagy, mind kisméretű nukleáris távolságok fontosak.”

A Rydberg-elektron ebben a végső állapotban egy olyan pályára tér vissza, amely közelebb van az atommaghoz. Ekkor energia szabadul fel. Ez kinetikus energiaként kerül át mindkét részt vevő atomnak, amelyek az impulzusmegőrzés miatt ellentétes irányba mozognak el egymástól.

Ezt a mozgást impulzummikroszkóppal lehet megfigyelni, amelyet a kutatók kifejlesztettek a kísérlethez. Az alapelv egyszerű: a semleges atomokat lézerimpulzussal ionizálják, majd egy gyenge elektromos tér segítségével egy helyérzékeny detektor felé irányítják. A találkozási pont az atomok kezdeti sebességétől függ, és így az impulzusukat mutatja. A mikroszkóp képes a legkisebb sebességkülönbségek felbontására is, így pontosan azonosítani lehet az egyes atomok végállapotát.

Ezek az eredmények segítenek az alapvető atomfolyamatok megértésében a plazmában. Ez egy különféle részecskékből, például elektronokból, ionokból, atomokból és molekulákból álló keverék. A plazma kutatásban fontos szerepet tölt be, például a részecskék közötti kölcsönhatások pontosabb vizsgálatában. Mivel a világegyetemben is előfordul, a laboratóriumi eredmények az asztrofizikában is relevánsak lehetnek, például a különféle kémiai és fizikai folyamatok jobb megértéséhez az intersztelláris térben.

Az ehhez a tanulmányhoz kapcsolódó munkák a „Giant Interactions in Rydberg Systems” című szakterületi program keretében készültek, amelyet a Német Kutatási Közösség támogat. A kutatás az OPTIMAS (Optikai és Anyagtudományi Kutatóközpont) profilterületen valósult meg, amely 2008 óta része a tartományi kutatási kezdeményezésnek.

A mérések eredményei és a kísérleti felépítés leírása a neves szakfolyóiratban, a „Nature Communications”-ben jelent meg: „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

Kérdésekre választ:

Prof. Dr. Herwig Ott
Ultrahideg Kvantégések és Kvantumatom-optika Tanszék / TU Kaiserslautern
Tel.: 0631 205-2817
E-mail: ott@physik.uni-kl.de