Csapat a Kaiserslautern-i Műszaki Egyetemen feltárja az atomenergia-transzport mechanizmusait a kvantumvilágban

Szuperhide atomfelhő rubidiumatomokból, amelyek ebben a kísérletben kerülnek felhasználásra: látható a fluoreszcencia, amely a lézeres világítás során keletkezik. (Fotó: AG Ott/TUK)

A energiaátvitel az atomok és molekulák között az élet alapja. Az atomközi erőkre, az úgynevezett dipól-dipól kölcsönhatásra épül. Herwig Ott professzor kutatócsoportja a Kaiserslauterni Műszaki Egyetemen (TUK) most sikerült ilyen szállítási mechanizmust modelleznie egy rendezetlen rendszerben. Ennek érdekében a kutatók kísérletileg megfigyelték különböző Rydberg-atomok kvantummechanikai kölcsönhatását. Így képesek voltak nyomon követni a rendezetlenség hatását az energiaeloszlásra és a mozgékonyságra az atomok között. A „Nature Communications” szakfolyóirat publikálta az eredményeket.

Hogyan történik az energiaátvitel az atomok és molekulák között, például a fotoszintézis példáján keresztül világos: amikor fény éri a sejtet, annak energiáját először egy molekula abszorbeálja, majd továbbítódik számos más, rendezetlen molekula között. Amikor ez az energia-csomag eléri a nevezett Reakcióközpontot, tartósan tárolódik kémiai átalakulás formájában.

Az ilyen szállítási mechanizmusok jobb megértése érdekében a kutatócsoport egy különleges kísérleti megközelítést alkalmazott, és eljutott a kvantumrégióba: „Ezzel számos technológiai kihívást sikerült leküzdenünk” – magyarázza Carsten Lippe, a tanulmány első szerzője. „Csak az alapfeltételek szemlélése is mutatja, hogy ez mennyire összetett: egy környezeti nyomás, amely körülbelül ezerszer alacsonyabb, mint az ISS körüli űrben, és a hőmérséklet közel az abszolút nulla fokhoz, néhány atomot lézeres besugárzással izgatunk, és Rydberg-állapotba keltjük. Ebben az állapotban, amikor egy elektron távoli pályára kerül az atommag körül, az atom mintegy tízezer alkalommal nagyobb, mint normál állapotban.”

Ez a gigantikus méret érzékennyé teszi az atomot a többi ilyen atomra, lehetővé téve az atomok közötti kölcsönhatások kísérleti vizsgálatát, amelyek más esetekben sokkal kisebb léptékben zajlanának.

Kísérletük során a kutatók különböző lézerrendszerek segítségével egymás után két különböző Rydberg-atomot hoztak létre, és vizsgálták az energiaátvitelt közöttük. Olyan kvantumfizikai hatásokkal találkoztak, amelyek ellentmondanak mindennapi elképzeléseinknek. „Hagyományosan egy ilyen szállítási folyamatot ugrási folyamatként képzelhetünk el. Az energia vagy az izgatás ugrál a molekulák között. A kvantumfizikában azonban ez másképp van, a szuperpozíciós elv miatt: az izgatás például egyszerre több molekulán is ugrálhat, így sokkal hatékonyabban szállítható a rendszerben. Ezt koherens szállításnak nevezik” – mondja Ott.

A kutatók megmutatták, hogy a klasszikus ugrás és a koherens szállítás aránya kísérletileg szabályozható. Ez úgy történik, hogy apró változtatásokat hajtanak végre a használt izgató lézer hullámhosszában. „Általában a kvantumfizikai hatások törékenyek, és eltűnnek zavarok esetén, mint amilyenek például a rendszerben a atomos rendezetlenség” – mondja Thomas Niederprüm, aki Ottal közösen irányította a munkát. „Az, hogy ezeket a hatásokat megfigyelhettük a tanulmányban, segíthet más összetett rendszerek jobb megértésében. Ez a Rydberg-atomok közötti kölcsönhatás más kutatási területekre is átültethető, például a fény abszorpciójára és szállítására molekulákban a fotoszintézis során. Legújabb tanulmányok kimutatták, hogy a fotoszintézisben is fontos szerepet játszanak kvantummechanikai hatások, és az energiaátvitel a rendezetlenség ellenére meglepően veszteségmentesen zajlik.”

Ez a tanulmány a OSCAR („Nyitott rendszer irányítása atom- és fotonikus anyagok esetében”) kutatási program keretében készült, amelyben a TUK együttműködik a Bonn Egyetemmel, és a Német Kutatási Központ támogatásával valósul meg. A mérések és szimulációk eredményei, valamint a kísérleti felépítés leírása a neves „Nature Communications” szakfolyóiratban jelent meg:

„Kísérleti megvalósítás egy 3D-s véletlenszerű ugrási modellben”; Carsten Lippe, Tanita Klas,
Jana Bender, Patrick Mischke, Thomas Niederprüm & Herwig Ott. A cikk angol nyelven ingyenesen elérhető.
DOI: doi.org/10.1038/s41467-021-27243-2

Kérdésekre válaszol:
Prof. Dr. Herwig Ott
Ultrakönnyű kvantumgázok és kvantumatomoptika szakértő / TU Kaiserslautern
Tel.: 0631 205-2817
E-mail: ott@physik.uni-kl.de